Artigo de método

Medição da Estabilidade Espacial na Aderência de Precisão

3K vistas

⸱

DOI:

10.3791/59699

⸱

4 de junho de 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

Neste artigo

Resumo

O objetivo deste protocolo é medir a substituição do centro de pressão (COP) usando uma folha de sensores de alta resolução espacial para refletir a estabilidade espacial em uma aderência de precisão. O uso desse protocolo poderia contribuir para uma maior compreensão da fisiologia e da fisiopatologia da apreensão.

Resumo

O objetivo do protocolo é avaliar indiretamente a direção da força do dedo durante a manipulação de um objeto portátil baseado nas relações biomecânicas nas quais a direção da força desviada causa a substituição do Centro de Pressão (COP). Para avaliar isso, é utilizada uma folha de sensores de pressão de alta resolução espacial, fina, flexível e de alta resolução espacial. O sistema permite a medição da trajetória da COP, além da amplitude da força e sua regulação temporal. Uma série de experimentos descobriu que o aumento do comprimento da trajetória refletiu um déficit sensorial em pacientes com AVC, e que a diminuição da trajetória da COP reflete uma estratégia compensatória para evitar que um objeto escorregue da aderência da mão no idoso. Além disso, a trajetória da COP também poderia ser diminuída por dupla interferência de tarefas. Este artigo descreve o procedimento experimental e discute como a COP do dedo contribui para a compreensão da fisiologia e da fisiologia da apreensão.

Introdução

O controle de força é a base fundamental da aderência de precisão. Em comparação com a aderência de potência, a aderência de precisão avalia a saída de força mínima refletindo a capacidade de manipular um objeto. Múltiplos sistemas sensoriais contribuem para a aderência de precisão. Por exemplo, durante uma tarefa de aderência e elevação, informações visuais permitem a percepção do tamanho e forma do objeto. Depois que as pontas dos dedos tocam o objeto, sinais táteis são entregues ao córtex somatosensorial para ajustar a força de aderência de precisão. A força de aderência (GF) é gerada quando as pontas dos dedos fazem contato com o objeto, e aumenta durante a fase de elevação1. Quando um objeto se aproxima da altura do alvo no ar, jovens saudáveis produzem o GF mínimo para otimizar a entrada cutânea das polpas dos dedos e conservar energia. Por outro lado, os idosos usam uma grande força de aderência para evitar deixar o objeto escapar de sua aderência2. Em pacientes com AVC, o início da força de aderência é adiado e a capacidade de ajustar a margem de segurança é prejudicada devido a déficits sensoriais e motores. A força de aderência exagerada é considerada uma resposta estratégica para compensar os déficits sensoriais e motores3.

O protocolo padrão para medir o controle gf em aderência de precisão foi sugerido por Johansson e Westling na década de 19804. Eles desenvolveram um dispositivo para monitorar as forças de carga e aderência simultaneamente. Desde então, a amplitude gf e sua regulação temporal têm sido utilizadas como parâmetros cinéticos típicos em inúmeros estudos sobre aderência de precisão. Outro parâmetro cinético é a direção de força5. A direção da força resulta de uma combinação de forças de aderência e elevação. Para manter a aderência de precisão estável, as forças de aderência e elevação devidamente direcionadas devem ser geradas entre o polegar e o dedo indicador, e a direção de força desviada pode causar instabilidade espacial. Embora vários instrumentos de direção de força do tipo célula de carga sejam usados em estudos de apreensão, esses instrumentos têm uma limitação em termos de monitoramento do controle da força de aderência na manipulação de objetos de diferentes tamanhos e formas usados na vida diária. Assim, um sensor flexível e anexável é essencial para investigar as relações entre o controle da força de aderência e as funções diárias.

O objetivo deste protocolo é avaliar indiretamente a direção da força do dedo durante a manipulação de um objeto baseado na relação biomecânica na qual a direção da força desviada causa a substituição do Centro de Pressão (COP). O COP é o centro de todas as forças, e representa como as forças são equilibradas na folha de sensores. O uso da COP para avaliar o controle da força de aderência foi sugerido pela primeira vez por Augurelle et al.6. Eles monitoraram o deslocamento da COP para investigar o papel do feedback cutâneo e descobriram que a COP desviada ocorreu após anestesia digital. No entanto, o deslocamento da COP foi monitorado apenas verticalmente em seu estudo; portanto, o deslocamento da COP em um espaço tridimensional não foi adequadamente avaliado. Para resolver essa limitação, foi utilizada uma folha de sensores de pressão fina, flexível e de alta resolução espacial para medir a COP. Sensores relativamente de alta resolução espacial (~60-100 pontos por cm2) para medir o controle da força de aderência foram utilizados7,8, mas os recentes avanços na resolução espacial (248 pontos por cm2) permitem a medição da trajetória da COP como parâmetro para quantificar a estabilidade espacial. Este artigo descreve o procedimento experimental e discute como a COP do dedo contribui para a compreensão da fisiologia e da fisiologia da apreensão.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

A série de estudos no presente artigo foi aprovada pelo Gunma University Ethical Review Board for Medical Research Involv human subjects.

NOTA: Os critérios de inclusão dos participantes foram a capacidade de compreender o uso de força mínima e a capacidade de realizar a tarefa com o polegar e o dedo indicador. Os critérios de exclusão foram selecionados com base na finalidade dos experimentos.

1. Preparação do equipamento

  1. Conecte dois cabos conectores de sensores às portas USB de um computador. Puxe a alavanca presa ao conector do sensor e insira a aba do sensor no slot de inserção. Retorne a alavanca acoplada à posição original.
  2. Abra o software do sensor em um computador. Certifique-se de que os mapas de distribuição de pressão em tempo real apareçam automaticamente no monitor quando as folhas dos sensores estiverem conectadas corretamente.
  3. Ajuste de pressão
    1. Insira a área de detecção da folha do sensor um a um em uma plataforma compressora.
    2. Ligue a válvula de ar do controlador do compressor e comece a pressionar. Opere o regulador e ajuste-se ao valor de carga adequado (ou seja, 172 kPa) para verificar o indicador no controlador. Certifique-se de que toda a área da folha do sensor esteja igualmente pressurizada no monitor.
  4. Ao aplicar pressão nas folhas dos sensores, realize o equilíbrio e a calibração.
    NOTA: O equilíbrio é uma operação para ajustar igualmente a reatividade das células sensoriais. A calibração é uma operação para converter a pressão na folha do sensor (soma bruta) em uma unidade de peso (gramas ou Newtons) e exibi-la. Ambos devem ser feitos para a folha do sensor antes de iniciar a coleta de dados para cada participante.
    1. Selecionar ferramentas | Equilíbrio na janela principal do software. Clique em Equilibrate-1 | Comece na caixa de diálogo de equilíbrio. Verifique o resultado de equilíbrio na caixa de diálogo e confirme a janela de equilíbrio muda de cor para cinza.
    2. Salve as configurações de equilíbrio clicando em Salvar Eq. Arquive na caixa de diálogo de equilíbrio. Digite o nome do arquivo de equilíbrio e clique em Salvar na caixa de diálogo Salvar como.
    3. Em seguida, execute a calibração selecionando Ferramentas | Calibração. Clique na caixa Adicionar e digite o valor de carga (134,33 N) na caixa Força Aplicada.
    4. Clique no botão Iniciar na caixa de diálogo. Verifique o resultado da calibração na caixa de diálogo de calibração e confirme que a calibração foi feita corretamente; o valor de Newton é mostrado como 134.33 e o valor das células carregadas corresponde com o das folhas de sensores que estão sendo usadas se a calibração foi feita corretamente.
    5. Depois disso, salve a configuração de calibração clicando em Salvar Cal. Arquivo. Digite o nome do arquivo de calibração e clique em Salvar na caixa de diálogo Salvar como. Após o equilíbrio e calibração, desligue a válvula de ar do controlador e extraia a folha do sensor do compressor.

2. Medição

  1. Preparação
    1. Conecte cada dispositivo e inicie o software de acordo com as etapas 1.1. e 1,2. Certifique-se de que dois mapas de distribuição de pressão em tempo real para cada folha de sensor sejam exibidos quando as folhas do sensor estiverem conectadas através do cabo ao mesmo tempo.
      NOTA: Neste experimento, duas folhas de sensores são necessárias para medir o polegar e o dedo indicador, respectivamente. É necessário realizar o equilíbrio e calibração para cada um deles de acordo com os procedimentos descritos na seção 1.4.
    2. Lembre-se dos arquivos de equilíbrio e calibração criados nas etapas 1.4.2. e 1.4.5. Com o mapa de distribuição de pressão em tempo real ativo, selecione Ferramentas | Arquivo de equilíbrio de carga. Selecione o arquivo de equilíbrio e clique em Abrir. Em seguida, selecione Ferramentas | Arquivo de calibração de carga. Selecione o arquivo de calibração e clique em Abrir. Certifique-se de que o mapa de distribuição de pressão em tempo real seja exibido em Newtons após o carregamento do arquivo de calibração. Realize o acima para cada um dos dois mapas.
    3. Conecte as partes sensíveis à pressão das duas folhas de sensores em ambos os lados do cubo de ferro usando fita dupla face. Para evitar que as folhas dos sensores sejam danificadas, corte 3−5 mm de comprimentos de fita e coloque-os nos quatro cantos do lado de fora do cubo de ferro. Certifique-se de que a superfície da folha do sensor está do lado de fora.
    4. Coloque o cubo de ferro em cima de um suporte de ajuste sobre uma mesa antes da medição.
    5. Depois de organizar o ambiente de medição, corrija as configurações de gravação para os quadros, período e frequência do filme. Selecione as Opções | Comando de parâmetro de aquisição. Na caixa de diálogo do parâmetro de aquisição de dados, digite 36000 nos quadros de filme, 0,01 no Período e 100 na frequência. Clique em OK e feche a caixa de diálogo.
  2. Iniciando a medição
    NOTA: A Figura 1 demonstra uma tarefa de aderência e elevação.
    1. Que o participante sente-se em frente a uma mesa e ajuste a altura da mesa (flexão da articulação do ombro do participante 0° e posição de flexão da articulação do cotovelo 90°). Coloque o cubo de ferro e o suporte de ajuste a 30 cm do participante no plano midsagittal sobre a mesa. Limpe as polpas dos dedos do participante com um cotonete de álcool ou toalha.
    2. Dê ao participante instruções verbais da seguinte forma: "Use força mínima com o polegar e o dedo indicador para agarrar ambos os lados do cubo de ferro ao qual as folhas do sensor estão presas. Depois disso, levante-o aproximadamente 5 cm acima do suporte de configuração, segure-o por 5-7 s e, em seguida, coloque-o de volta no suporte de configuração."
    3. Se o participante estiver pronto, dê-lhe uma dica para iniciar a tarefa e iniciar uma gravação clicando em Gravar na barra de ferramentas. Clique na trajetória do Centro de Força para monitorar o COP durante a gravação. Quando a tarefa acabar, clique em Parar na barra de ferramentas. Após a gravação, salve os dados do filme selecionando File | Salve o filme como. Digite o nome do arquivo do filme e clique em Salvar na caixa de diálogo.
      NOTA: O peso do cubo de ferro, o número de elevadores e o intervalo entre as tarefas devem ser considerados de acordo com o propósito do experimento e da dificuldade de tarefa.
  3. Alterar as condições de medição de acordo com o propósito do experimento. Por exemplo, para investigar o efeito da interferência dupla de tarefas em uma tarefa de aderência e elevação, ajuste as condições de medição da seguinte forma, dependendo do tipo de interferência.
    1. Para interferência postural, que o participante fique em frente a uma mesa e ajuste a altura da mesa. Dê ao participante instruções verbais da seguinte forma: "Fique em uma perna e use força mínima com o polegar e o dedo indicador para levantar o cubo de ferro aproximadamente 5 cm acima do suporte de configuração. Segure-o por 5-7 s e, em seguida, colocá-lo de volta no suporte de configuração."
    2. Para interferência visual, o participante sente-se em frente a uma mesa e ajuste a altura da mesa. Dê ao participante instruções verbais da seguinte forma: "Feche os olhos. Use força mínima com o polegar e o dedo indicador para levantar o cubo de ferro aproximadamente 5 cm acima do suporte de ajuste. Segure-o por 5-7 s e coloque-o de volta no suporte de configuração." Permita que os participantes toquem nos sensores sem exceder 0,5 N antes de fechar os olhos.
    3. Para interferência cognitiva, o participante sente-se em frente a uma mesa e ajuste a altura da mesa. Dê ao participante instruções verbais da seguinte forma: "Como tarefa de cálculo, subtraia continuamente 7 de 100 o mais precisamente possível. Durante a realização do cálculo, use força mínima com o polegar e o dedo indicador para levantar o cubo de ferro aproximadamente 5 cm acima do suporte de configuração. Segure-o por 5-7 s e coloque-o de volta no suporte de configuração."
    4. Para interferência contralateral do movimento da mão(Figura 2),que o participante se sente em frente a uma mesa e ajuste a altura da mesa. Coloque a placa de pinos a 30 cm do participante no plano midsagittal ao lado do cubo de ferro e considere o tamanho e o número de pinos para ajustar a dificuldade da tarefa. Dê ao participante instruções verbais da seguinte forma: "Manipule o cubo de ferro com força mínima usando o polegar e o dedo indicador. Levante e segure o cubo de ferro aproximadamente 5 cm acima do suporte de ajuste com uma mão, e inverta o pino usando a outra mão. Repita usando a mão oposta."

3. Análise de dados

  1. Análise da força de aderência
    1. Inicie o software no computador. Clique em Arquivo | Filme Aberto, selecione o arquivo de filme para análise e Abra.
    2. À medida que o mapa de distribuição de pressão gravado aparecer, clique em Várias exibições de janela no mapa e consulte a janela do gráfico 1. Encontre o ponto no tempo em que a carga (força de aderência) começa a ser aplicada em cada elevador e observe o tempo com referência a este gráfico.
    3. Depois disso, salve os dados da força de aderência no formato ASCII. Selecionar arquivo | Salve o ASCII depois de ativar a janela do gráfico 1. Na caixa de diálogo object-graph 1, selecione Paineles com o nome do arquivo e clique em Salvar ASCII. Na caixa de diálogo, selecione Salvar valores de Força, Pressão e Área. Especifique a força na caixa do eixo Y, tempo na caixa do eixo X e Absoluto no modo Y. Clique em OK na caixa de diálogo da propriedade. Digite o nome do arquivo ASCII e clique em Salvar na caixa de diálogo.
    4. Se forem necessárias informações sobre as áreas de contato entre polpas de dedo e folhas de sensores, especifique a Área de Contato na caixa do eixo Y e clique em OK. Digite o nome do arquivo ASCII e clique em Salvar na caixa de diálogo.
    5. Em seguida, abra o arquivo do filme. Confirme se o arquivo é aberto em formato de planilha e Quadros, Tempo, Tempo Absoluto, Soma Bruta e Força são notados. Com relação ao tempo observado na etapa 3.1.2., encontre uma célula que a carga comece a ser aplicada; os valores de carga começam a aumentar e exceder 0,5N na linha de força.
    6. Calcule a força total de aderência usada em uma faixa, que é a soma dos valores da célula foi aplicada na linha de força.
  2. Análise do centro de pressão
    1. Inicie o software. Clique em Arquivo | Filme Aberto, selecione o arquivo de filme para análise e clique em Abrir.
    2. Com o mapa de distribuição de pressão ativo, clique em Play Forward para reproduzir o filme. Certifique-se de que a trajetória do COP apareça no mapa de distribuição de pressão. Encontre o quadro que o COP começa a aparecer em cada elevador com o Next Frame ou o Quadro Anterior, que são os comandos para mover para frente ou para trás dos quadros. Então, note o número do quadro.
    3. Depois disso, salve os dados COP no formato ASCII. Selecionar arquivo | Salve o ASCII com o mapa de distribuição ativo. Especifique o Centro de Força na caixa de diálogo tipo de dados e filme inteiro na caixa de diálogo de intervalo de filme. Clique em OK na caixa de diálogo da propriedade. Digite o nome do arquivo ASCII e clique em Salvar na caixa de diálogo.
    4. Em seguida, abra o arquivo do filme. Confirme se o arquivo é aberto em formato de planilha e estão anotados quadro de comentários, tempo, tempo absoluto, linha, col e raw sum. Com relação ao quadro anotado nas etapas 3.2.2.2., encontre uma célula (1) que a COP começa a aparecer.
    5. Calcule o comprimento da trajetória do COP entre os quadros. Selecione uma célula (2) após a linha, incluindo o quadro que o COP começa a aparecer. Insira a seguinte fórmula de cálculo: (=SQRT((Célula de linha (2) -Célula de linha (1)^2+(célula col (2) -célula col (1)^2). A soma do comprimento da trajetória da COP entre os quadros em uma faixa é a trajetória total da COP dentro desse intervalo.
      NOTA: Na janela do gráfico 1, a linha vertical mostra o valor da carga (N), e a linha horizontal mostra o tempo (s). Este valor de carga corresponde à força de aderência. Os dados salvos no formato ASCII podem ser usados em aplicativos como planilhas e editores de texto. Neste experimento, os participantes foram instruídos a segurar o cubo por 5-7 s na tarefa, de modo que a força de aderência e a trajetória da COP foram calculadas e registradas para 4 s desde sua primeira aparição. Na planilha de dados da COP, a posição da COP nas coordenadas do eixo X e Y é mostrada como um valor.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

Vários estudos introduziram protocolos experimentais e dois parâmetros cinéticos (a trajetória da COP e o GF) para medir a força do dedo durante a manipulação de um objeto. Em estudos anteriores, verificou-se que a trajetória da COP aumentou em pacientes com AVC9. Em pacientes com mielopatia cervical, o GF correlaciona-se com o limiar de pressão cutânea e função extremidade superior10. Em jovens saudáveis, o GF aumentou com a interferência cognitiva11

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

Este procedimento experimental fornece evidências de que uma folha de sensores de pressão flexível poderia ser útil para avaliar a estabilidade espacial durante a aderência de precisão. A direção da força de aderência alterada representa a instabilidade espacial, como um deslizamento de dedo. No entanto, os instrumentos de direção de força do tipo célula de carga existentes têm uma limitação em termos de garantir um movimento natural de alcance-a-aderência. Para resolver esse problema técnico, foi monitorada a trajetória...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Agradecemos ao Sr. T. Nishida (Técnico, Departamento de Vendas, Divisão de Materiais de Desempenho de Dispositivos, Nitta Co., Ltd, Osaka, Japão.) pelo suporte técnico.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
com cotonetecom álcool' s polpas de dedo
CompressorNitta CorporationAplique pressão nos assentos do sensor
Controlador de
FitasUse para anexar os assentos do sensor ao cubo de ferro
; 30 vezes; 30 mm
Conectordo sensor Conecte os assentos do sensor ao computador.
FolhaSensor de mapeamento de pressão 5027, Tekscan, South Boston, MA, 50 USA
SuporteColoque o cubo de ferro nele durante a medição
Software; I-SCAN 5027, Ver. 7.51Nitta Corporation
TabelaUso para a medição
Participante do toalhete computador do compressor Nitta Corporation Use para fabricar o compressor de dupla face Cubo de ferro 150-250g, 30× do sensor de configuração

Referências

  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).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE

Solicitar permissão

Etiquetas

Centro de Press oFor a de Preens oFolha de Sensor de Press oCalibra o de SensorAquisi o de DadosDire o da For aComprimento da Trajet riaInterfer ncia de Tarefa Dupla

Artigos relacionados