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Behavior

경 두개 자기 자극, 근전도, 모션 캡쳐, 가상 현실을 이용하여 인간의 모터 제어 유학을위한 다기능 설치

Published: September 3, 2015 doi: 10.3791/52906

Abstract

인간의 운동 신경 근육 조절의 연구는 다양한 기술을 수행 할 수 있습니다. 신경 근육 기능을 조사하는 비 침습적 방법은 경 두개 자기 자극, 근전도, 3 차원 모션 캡처를 포함한다. 용이하게 이용 가능하고 비용 효율적인 가상 현실 솔루션의 출현은 실험실 설정에서 "실제"환경과의 움직임을 재현 연구자의 능력을 확대하고있다. 자연주의 운동 분석은 건강한 사람들의 모터 제어의 더 큰 이해를 가너뿐만 아니라 실험과 특정 모터 장애 (예 : 뇌졸중)을 대상으로 재활 전략의 디자인을 허용 할뿐만 아닙니다. 이러한 도구의 병용은 모터 제어의 신경 메커니즘을 점점 더 깊은 이해로 이어질 것입니다. 이러한 데이터 수집 시스템을 조합 한 핵심 요구 사항은 다양한 데이터 스트림들 사이의 시간적 대응하여 미세하다. 티그의 프로토콜은 다기능 시스템의 전반적인 연결, 시스템 간 신호 및 기록 된 데이터의 시간 동기화를 설명합니다. 구성 요소 시스템의 동기화는 기본적으로 쉽게 선반 구성 요소와 최소한의 전자 조립 기술 오프로 만든 사용자 정의 회로를 사용하여 수행됩니다.

Introduction

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가상 현실 (VR)이 빠르게 동작 인간 연구를 포함한 다수의 분야에서 사용하기위한 액세스 연구 도구가되고있다. 상지 운동의 연구는 특히 VR을 혼입함으로써 유익된다. 가상 현실은 팔의 움직임 컨트롤의 특정 운동 학적 및 동적 기능을 조사하기위한 실험 매개 변수의 빠른 사용자 정의를 허용합니다. 이러한 매개 변수는 개별적으로 각각의 피사체에 대해 조정될 수있다. 예를 들어, 가상 목표물의 위치는 대상에서 동일 초기 암 상태를 확인하기 위해 확장 할 수 있습니다. 5 - 가상 현실은 visuomotor 연구 1에 매우 중요한 도구입니다 실험을하는 동안 시각적 피드백의 조작을 할 수 있습니다.

다른 생체 역학 도구를 사용하여 사실적인 가상 현실 환경에서의 사용은 움직임 패턴을 테스트하여 자연 운동 시나리오를 허용합니다. 이러한 형태는 점점 중요한 있다는연구와 질병과 상해 6,7 후 재활 연습. 임상 환경에서 (가상 부엌에서 동작을 수행하는 등) 모방 움직임과 자연 환경은보다 정확하게 실세계 상황에서 개인의 장애를 설명하는 재활 전문가를 가능하게 할 것이다. 고도로 개인화 손상 설명 잠재적 효능을 증가시키고 회복 기간을 줄일 더 집중 치료 전략을 허용한다.

이러한 경 두개 자기 자극 (TMS), 표면 근전도 (EMG), 및 전신 모션 캡처와 같은 다른 도구를 사용하여 가상 현실을 결합, 인간 운동의 신경 근육 제어를 연구하기위한 매우 강력하고 유연한 플랫폼을 만듭니다. 경 두개 자기 자극을 통해 EMG의 응 답 (예 피질 관) 모터 경로 내림차순의 흥분성 기능적 완전성을 측정하는 강력한 비 침습적 방법같은 모터와 같은 ES는 전위 (유럽 의회 의원) (8)을 유발. 현대 입체 모션 캡쳐 시스템은 결과 운동 기구학 및 동역학과 함께 신경 근육 활동을 연구하는 연구자 수 있습니다. 이는 근골격계 매우 상세한 모델의 생성뿐만 아니라 신경 컨트롤러의 구조 및 기능에 관한 가설 테스트를 허용한다. 이 연구는 인간의 감각 시스템의 우리의 과학적 지식을 확장하여 근골격계 및 신경 질환의 치료에 개선으로 이어질 것입니다.

그러나, 다기능 시스템과 하나의 큰 문제는 별도로 기록 된 데이터 스트림 (예를 들어, 모션 캡처, EMG, 등)의 동기화이다. 이 프로토콜의 목적은 이동 중에 동시에 역학적 생리적 측정치를 기록 할 공통의​​ 시판 시스템의 일반화 구성을 설명하기위한 것이다. 로부터 장비를 사용하여 다른 연구자다른 제조업체는 특정 요구에 맞게이 프로토콜의 요소를 변경해야 할 수도 있습니다. 그러나,이 프로토콜의 일반 원칙은 여전히​​ 적용해야한다.

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Protocol

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실험에 관련된 모든 참가자는 웨스트 버지니아 대학의 임상 시험 심사위원회 (IRB)의 승인을 동의 절차를 거쳐.

1. 전체 시스템의 특성, 디자인, 및 일반 실험 작업

참고 : 전체 설치는 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성되어 있습니다 : EMG 장비 및 디지털 수집 (DAQ) 장비를 연결; 모션 캡쳐 시스템 (이 프로토콜은 능동 LED 시스템을 포함); 그림 -의 개의 코일과 정위 현지화 장비와 TMS 부; 가상 현실 헤드셋 및 관련 컴퓨터 및 소프트웨어; 및 사용자 동기화 회로.도 1은 본 프로토콜 구성 요소 사이의 연결을 설명합니다.

  1. 시스템 구성 요소의 연결
    1. 메인 앰프에 EMG 프리 앰프를 연결합니다.
    2. BNC 또는 이와 유사한 터에 연결을 사용하여 장비의 입력 블록을 기록 DAQ에 EMG 앰프의 출력을 연결합니다TIONS.
    3. 데이터 수집 스크립트 (추가 파일)을 실행합니다 전용 컴퓨터에 DAQ 기록 장치를 연결합니다.
    4. 사용자 정의 회로부 (자세한 내용은 다음 섹션 참조) VR 제어 컴퓨터 병렬 출력을 연결합니다.
    5. 동기화 및 근전도 신호 연결과 함께 DAQ 기록 블록에 사용자 정의 회로에서 출력을 트리거 모션 캡쳐를 연결합니다.
    6. 스플릿 모션 캡쳐 트리거 EMG DAQ 장비에 "아날로그 입력 시작"포트뿐만 아니라, 모션 캡쳐 장치를 제어하는​​ 컴퓨터에 트리거 연결에 연결하고.
      주 : 바와 장비 (모션 캡쳐 및 EMG)에 대한 각각의 데이터 취득 스트림의 시작 사이의 시간 차이는 160-190 밀리 범위 일 수. 이 시간 차이는이 프로토콜에 설명 된 동기 회로의 설계와 동기 가능성이 두 시스템 사이의 소프트웨어와 하드웨어의 차이에 의해 발생된다.
    7. <리> 연결 TMS는 TMS 제어 장치에 입력 트리거를 BNC - 사용자 정의 회로 장치에 포트를 트리거합니다.
    8. 벤더가 제공하는 소프트웨어 및 물리적 네트워크 연결을 사용하는 VR과 모션 캡쳐 시스템 사이의 네트워크 연결을 확립한다.
    9. VR 컴퓨터에 가상 현실 헤드셋을 연결하고 모든 스크립트 / 참가자들에게 가상 환경을 표시 프로그램과 작동 성을 보장합니다.

그림 1
그림 1 :. 전체 설정의 연결이 레이아웃은 우리 시스템의 요소들 사이의 일반적인 연결을 설명합니다. 동기 회로는 더 상세히 텍스트의 다른 곳에서 설명된다. 블루 트레이스는 모션 캡처 및 EMG 데이터 스트림을 모두 시작 신호에 해당한다. 이 이벤트는이 프로토콜에 설명 된 장치를 사용하여 190 msec의 시간의 지연의 원인이다. 빨간 추적은 VR-시작 synchronizat에 해당부수적으로 모션 캡쳐 및 EMG 시스템에 의해 기록되고 이후에 각각의 데이터 스트림의 시간 정렬을 위해 사용되는 이온의 이벤트입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

시스템 통합 및 동기화 2. 일반 세부,

주 :이 프로토콜은 데이터 수집 시스템 (모션 캡쳐 및 EMG)의 동기화는 모든 기록 스트림에 공통 이벤트 신호의 사용을 통해 달성된다. 일반적인 이벤트를 사용하여, 모든 신호가 시간적으로 데이터 수집 (이 프로토콜에 장비를 사용하여 위쪽으로 190 밀리의) 실시간 기록 불일치를 최소화하도록 한 후 재정렬 될 수있다. 이 프로토콜에서, 공통 신호는 병렬 포트 신호로서 VR 시스템에서 유래. 일반적인 신호는 별도의 데이터의 동기화를 허용하는 회로로 라우팅근전도 신호를 직접 기록을 통해 동시에 LED 모션 캡처를 해제하여 스트리밍합니다. 회로는 전자 부품을 구축하기위한 기본적인 도구 및 기술을 이용하여 구성되며, 회로와 유사한 다른 장소 9 기재.

  1. 디자인, 레이아웃, 및 동기화 회로의 건설
    1. 장비 제어 장치에 아날로그 TTL 기반의 트리거 메커니즘 (예 : TMS, 모션 캡쳐를) 확인 및 TTL 펄스 방향 (양 / 음)과 진폭 트리거 요구 사항을 숙지. 아날로그 트리거 메커니즘은 자주 연결 구성 요소를 간단하게 일반적인 "BNC"동축 커넥터를 가지고있다.
    2. 신호 동기화에 사용되는 모션 캡쳐 시스템에 LED 추가 추가; 행 동기 회로를 통해 LED의 배선 (도 3).
    3. (즉, 저항, 정전 용량) tur로하는데 필요한 전기 소자 파라미터를 결정n은 특정 시간에 대한 LED 동기 오프. T = 1.1 * (R1) * C1 : 회로의 동기화 LED는 식으로 꺼져있는 시간을 찾아보세요. 이 시간은 실험적인 운동의 평균 지속 시간 미만으로 권장합니다. 예를 들면, 현재 기술 된 실험은 각각 약 메가 옴 한 마이크로 패러, 정격 저항 및 커패시터가 필요했다.
    4. 그림 3과 같이 개략적으로 다음과 같은 인쇄 "protoyping"또는 "프로젝트"회로 기판에 전자 부품을 부착하는 납땜 인두를 사용하여 일반적으로 사용되는 플라스틱 "프로젝트"상자에서이 회로를 묶습니다.; 그것은 가능성이 BNC 커넥터에 대해이 상자에 구멍을 드릴 필요가있다. 회로 용이 데스크톱 컴퓨터에서 USB 5 V 전원에 의해 구동 될 수있다; 이는 전력 및 접지 전선을 분리하는 USB 케이블을 해체 할 필요가있다. 바이 패스 커패시터도 555에 전력을 조절하기 위해 필요할 수있다칩 (되지도 3에 도시 됨).
    5. 전기 부품 사이의 의도하지 않은 솔더 브릿지를위한 회로 기판을 검사한다. 발견 된 경우, 흡인 도구를 사용하여 땜납을 제거하거나, 땜납을 가열 및 기계적 브릿지 연결을 제거.

그림 2
그림 2 :. 시험 흐름도이 흐름도 TMS 자극을 포함하는 전형적인 실험 시험 중에 발생하는 자극과 신호 이벤트를 설명합니다. 시험 전반에 걸쳐 발생하는 병렬 포트 코드는 DB25 스키 매틱 기호 (하늘색)에 표시됩니다.

  1. 동기화 세부 사항
    1. 비슷한 플로우 차트를 사용하면, 그림 2 장비의 각 조각이 실험적인 운동의 과정에서 트리거시기를 결정합니다. 다른 동시에 트리거 될 수있다 예를 들어, 일부 장비는 개별적으로 트리거 될 수있다. 트리거 또는 (그림 2에서 예를 들어 파란색 병렬 포트 문자) 신호를 필요 시점에서, 병렬 포트를 사용하고 VR 시스템에 통합하는 라인 신호를 결정합니다. 이것은, 운동시에, 지정된 시간에 병렬 포트에 이진 숫자를 나타내는 각 행을 숫자 값을 전송하여 수행됩니다. 병렬 포트 기반의 신호에 대한 자세한 내용은 설명을 참조하시기 바랍니다.

그림 3
그림 3 :. 동기화 회로는이 도식은 우리의 사용자 정의 동기화 회로의 레이아웃을 표시합니다. NAND 게이트의 출력은 기본 고압 상태이고; 이 전압 출력은 동기 회로의 LED가 라우팅되는 트랜지스터의 게이트에 전송된다. 이 기본 상태는 회로는 조명 상태에서 LED를 유지하는 폐쇄 렌더링합니다. 동기 trigge를 수신하면R 병렬 포트 신호 (삽입 빨간색 추적), (555) 장치의 내부 상태는 LED (파란색 추적을) 차단, 높은 상태로 출력을 렌더링 이성을 상실한다. 이 때, C1 (녹색 트레이스)에 전압이 LED를 활성화하는, 555의 내부 상태를 리셋 전압까지 만든다. 병렬 포트 동기 트리거 신호도 직접 TMS 트리거 입력 포트에 접속된다 BNC 커넥터로 라우팅된다. 참고 :이 트리거 신호의 방향은 연구자의 특정 장비의 요구 사항에 따라 (포지티브에서가는 음성 또는 그 반대로) 반대해야 할 수 있습니다. 쉽게이 작업을 수행하는 것이 트리거 출력에 "인버터"칩의 추가. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 실험 절차

  1. 안전 절차 및 동의
    1. Ensu모든 실험 절차 재 임상 시험 심사위원회 (IRB)의 승인됩니다. 참가자들에게 모든 절차를 설명하고 IRB는 문서를 승인과 동의를 획득.
    2. 동의를 획득 한 후, 그들이 이명, 간질 발작, 또는 발작의 증가 된 위험과 다른 조건의 가족력이없는 보장하기 위해 참가자들과 기본 TMS 안전 검사를 실시하고 있습니다.
    3. TMS 자극하는 동안, 엄격 청각 손상을 방지하기 위해 보호 귀마개의 사용을 필요로한다.
  2. 근전도 컬렉션
    1. 근전도 신호를 기록하기 위해 근육을 무장하는 독자의 연구의 과학적 목표에 따라 결정한다. 이 프로토콜에 설명 된 연구를 위해, 토크는 어깨에서 발생하고 이동하는 동안 팔꿈치 조사 하였다. 따라서, 근전도 신호는 기록은 삼각근으로,이 두 관절에 작용하는 주요 피상적 근육 출신, pectoralis, 이두근, 삼두근, 그리고 brachioradialis.
    2. 일치하는 커넥터를 연결하여 제조업체의 사양에 따라 앰프, 프리 앰프, 센서 배선, 센서 패드 등 다양한 EMG 장비 사이에 필요한 모든 전기 연결을 확인합니다.
    3. 가볍게, 알코올 면봉으로 청소 면도칼로 과도한 머리를 제거하고 부드러운 연마 젤을 적용하여 각 전극 사이트를 준비합니다. 적절한 장소 준비 일관 낮은 전극 간 피부 임피던스 값 (<10KΩ의) 기록 EMG 신호의 높은 신호 - 대 - 잡음 비를 보장한다.
    4. 피사체가 허용 해부학 및 생 역학적 설명 (10)에 따라 관심의 개별 근육을 분리하기위한 아이소 메트릭 수축을 수행하게한다. 예를 들어, 팔꿈치의 부과 확장에 저항하는 참가자에게, 이두근을 분리합니다.
    5. 주제는 근육 분리 수축을 수행 한 후, 가장 두꺼운 중앙 PORTI 이상의 차동 바이폴라 EMG 전극을 부착에, 또는 가능 지역 (11)의 각 근육의 "배". 이것은 근육 섬유의 최대 수의 범위를 보장하고 주변 근육 사이 "혼선"을 최소화한다. 근육을 따라 양극 전극 '긴 축 정렬 섬유에 평행해야합니다.
    6. (예 : C7 척추를 통해 피부) 장비 사양에 따라 근전도 접지 전극을 부착합니다.
    7. 기록은 사용자 컴퓨터 스크립트에 의해 제어 DAQ 장비를 통해 근전도 신호를 증폭. 현재 프로토콜에서 사용되는 스크립트는 보조 파일로 첨부되어 있습니다.
    8. EMG 프리 앰프에 다이얼을 이동하여 원하는 수준으로 기록 된 신호에 적용 이득을 조정합니다. 녹음 장비 (일반적으로 5V)의 입력 범위를 초과하는 신호를 기록 유발하는 게인 값을 피하십시오. 일반 EMG 이득 값은 1,000-4,000 사이이다.
    9. 단계 3.2.4에서 수행 된 것과 유사한 아이소 메트릭 수축을 수행하고 시각적으로 근전도 시그나 검사LS는 고품질 (즉, 높은 신호 대 잡음비)으로되도록. 전극 위치를 조정하고 필요한 경우 신호 이득을 변경합니다.
  3. 모션 캡쳐 시스템 준비
    1. 제조업체의 지침에 따라 공급 업체에서 제공 한 지침과 장비를 사용하여 모션 추적 카메라를 보정합니다.
    2. 테이프 및 기타 포장 재료를 사용하여 팔과 생체 역학 모델의 건설에 사용되는 관심의 다른 해부학 점의 관절 주변의 뼈 랜드 마크에 활성 LED 센서를 부착 : 집게 손가락, 요골과 척골 경상 돌기 프로세스의 말단 지골을 손목에 어깨, 흉쇄 노치, 칼 모양의 프로세스 및 C7의 극돌기의 팔꿈치, 오구 견봉과 프로세스에서 주두 과정. 가상 환경에서 뷰 포인트를 설정하는 가상 현실 헤드셋 LED 서로를 연결합니다.
    3. 무선 드라이버 유닛에 부착 된 와이어 링 하니스에 각 LED를 연결합니다. 드라이버의 취소를 켭니다모든 LED의 적절한 조명을 보장하고.
    4. 멀리 대상에서 편리한 위치에 LED 동기화를 배치하지만, 카메라의 밝은 전망 이내.
  4. 경 두개 자기 자극 정위 ​​현지화
    1. 정확한 코일 배치 할 수 있도록, TMS 등록 (12)을 위해 설계된 하드웨어와 소프트웨어를 보정합니다. 이것은 일반적으로 nasion, preauricular 점, 그리고 코 끝과 같이 해부학 적으로 공동 등록 TMS 코일을 포함한다. 참가자 및 자극 코일 사이의 정위 등록 일관된 자극 현지화에 필수적인 것입니다.
  5. MEP 핫 스폿 현지화 및 MEP 임계 값 Pprocedures
    1. 자극 8,13,14시 가장 낮은 임계 값과 가장 큰 진폭 유럽 의회 의원을 생산 피질의 TMS에 민감한 지역의 위치를 이른바 "핫 스폿"기술을 수행합니다. 일반적으로 모터 시스템을 연구하기위한 경 두개 자기 자극특정 신체 부위의 움직임을 제어하는 대뇌 피질의 영역 (예를 들어 팔과 손) (15)을 자극 포함한다.
    2. 교정 정위 등록 장비 및 관련 소프트웨어와 참가자의 두피에 어떤 이상적인 자극 사이트의 위치를​​ 기록합니다. 각각의 위치가 소프트웨어에 기록 된 후, 비슷한 MEP 응답을 찾고, 그 자리를 재배치하고 다시 자극하여 그 정확성을 보장합니다.
  6. 가상 현실에서 행동 작업
    1. 실험에 사용되는 행동 태스크 (예 도달 움직임)의 설계 파라미터. 현재 연구에서, 태스크가 상이한 공간 위치에 순차적으로 배치 된 가상 타겟에 도달하는 것이다. 타겟의 사이즈는 참가자들이 이동되는 정확도를 정의한다. 참가자가 목표 도달으로 다양한 방향과 관절 토크의 크기가 유발되도록 움직임을 디자인합니다.
    2. 설치 가이드 VR 환경을제조사의 프로토콜에 따른 헤드셋 및 모션 추적 시스템과 호환 VR 상용 소프트웨어를 사용하여 작업을 통해 행동 주체. 소프트웨어 패키지의 필요한 전산 자원과 프로그래밍 언어 요구 사항에 익숙해집니다. 일반 VR 소프트웨어 패키지 파이썬, C ++, C # 및 기타 언어를 포함하여 프로그램 할 수있는 기능을 가지고있다. 또한, 프로그램 아날로그 동기화를위한 병렬 포트를 통해 출력과 관심의 특정 이벤트의 표시 (그림 2). 현재 실험에서, VR 소프트웨어 태스크의 각 반복의 시작에서 소망 TMS 자극의 시간에 이벤트를 출력한다.
    3. 동기화 회로 (그림 3) 및 / 또는 일치하는 커넥터와 케이블을 사용하여 동기화 할 수있는 다른 기기에 VR 출력을 연결합니다.
    4. VR 행동 작업을 수행하기 위해 주제를 지시한다. 현재 연구에서, VR 환경이었다참가자가 구형 대상의 배열을 볼 수있는 헤드 마운트 디스플레이를 사용하여 발표했다. VR 소프트웨어를 사용하여, 프로그램의 특정 운동 (색 등, 위치) 대상의 모양을 변경하여 시퀀스 및 이러한 작업 참가자 익숙해. 또한 기타 원하는 이동 제약의 참가자를 알려줍니다. 예를 들어, 현재 연구 참여자 목표에 도달하는 동안 이동의 수직면 내의 모든 아암 세그먼트를 유지했다.
    5. 참가자들은 실험 움직임, 기록 EMG와 모션 캡쳐 데이터에 익숙하고, 사용자 정의 스크립트 또는 공급 업체가 제공하는 소프트웨어 패키지를 사용하여 신호를 동기화되면. 원하는 값으로 각각의 데이터 수집 시스템의 샘플링 속도를 조정; 또한 익숙해지고 모션 추적 같은 제조업체 특정 매개 변수가 강도를 LED 조정합니다.

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Representative Results

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이 설정에서 수많은 데이터 스트림의 동기화는 하나가 상지의 운동 과정에서 발생하는 운동, 지속적인 근육 활동 (EMG), 그리고 순간 신경 근육 활동 (유럽 의회 의원)를 기록 할 수 있습니다. 주어진 운동의 반복 실험은 전체 움직임 위에 MEP 응답 정보를 재구성해야한다. 하나에서 수집 4 표시 데이터도 대상.도 4a는 대응하는 동기화 신호 및 이벤트와 단일 시험 중에 이러한 데이터 스트림의 예를 나타낸다. 동기화 이벤트에 대한 신호의 시간 정렬은 신호 분석 소프트웨어 (신호가 공통 시간 앵커 같은 동기화 이벤트를 사용하는 시간에서 "이동"된다)를 사용하여 간단한 사후 절차이다. 신호는 시간 정규화 각 이동 시험의 기간으로 할 수있다. 동기화없이, EMG와 모션 캡쳐 데이터 스트림 GR 같은 시간적 차이를 가질 수있다160-190 밀리로 먹는다. 그러나, 또한 동기화를 이용하여 넓게 TTL 신호를 사용하기 위해, 사용자는 자신의 신호 (본 예에서는 대략 밀리 초)의 샘플링 주파수의 한계까지의 데이터 스트림 사이의 시간 오차를 최소화 할 것으로 예상한다.도 4b는 평균 각도 운동학 및 역학을 도시 하나의 운동 (24) 임상 시험에서, 같은 운동을하는 동안 TMS없이 시험에서 이두박근의 근전도 프로필의 긴 머리, 동일한 대상에 운동하는 동안 단일 펄스 TMS와 시험에서 해당 재구성 MEP 프로파일.

그림 4
그림 4 :. EMG와 모션 캡처의 정렬 실험 시험 중에 기록 (A) 대표 신호는 차트의 왼쪽 열에 표시됩니다. 파란색과 빨간색 원이 해부에 의해 기록 같은 VR-생성 된 동기화 이벤트에 해당(검은 선을 나누어 설명) 장비의 전자 조각. 이 시점과 각 데이터가 시간적으로 나중에 커스텀 소프트웨어를 사용하여 정렬된다. 이들 두 지점 사이의 시간 차이는 위쪽이 프로토콜에서 설명한 장치를 이용하여 190 msec의 경우 일 수있다; 다른 장비를 사용하여 다른 연구자들은 다른 지연이 발생할 수 있습니다. 시간적 정렬 후에 (B)는, 데이터가 생리 학적 및 운동의 동적 특성을 설명하기 위해 생성 될 수 평균. 이러한 데이터는 동일한 운동의 24 시련을 나타냅니다; 이두근의 유럽 의회 의원 그래프에 막대 및 기타 그래프의 음영 영역은 표준 편차를 나타냅니다. 이러한 데이터는 이후에 근육 활동과 운동 역학과 운동학에 대하여 잠재적 하강하는 모터 제어 신호를 설명하는 데 사용될 수있다.

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Discussion

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이 문서의 목적은 인간의 움직임에 대한 연구와 다양한 데이터 스트림을 동기화하기위한 방법에 VR을 통합하는 방법을 설명하는 것이다. 가상 현실은 실험실 환경에서 실제 이동 시나리오를 다시 시도 연구원의 기능을 확장합니다. 다른 신경 근육 기록 및 자극 방법과 결합 VR 종합적으로 인간의 모터 제어 메커니즘을 연구하기위한 도구의 강력한 제품군을 형성한다. 꼼꼼하게 설계 실험 중 얻은 결과 다차원 데이터 세트는 운동 신경 제어에 대한 우리의 이해를 깊게 할 수 있습니다.

이 시스템의 중요한 특징 중 하나는 공통 VR 생성 이벤트와 전기 생리 및 모션 캡쳐 데이터 스트림을 동기화하는 기능이다. 이 프로토콜에 기재된 정의는 다른 회로 특급의 고유 한 요구를 충족시키기 위해 변경 될 수있는 유연하고 비용 효과적인 토대 역할다른 분야 9 솔루션과 유사한 erimental 패러다임 및 장비,. 공통 동기화 이벤트가 우리 VR 소프트웨어를 동작하는 컴퓨터에서 유래 병렬 출력 명령이다. 병렬 표준 인터페이스의 장점은 단순성, 속도, 유연성이다. 병렬 인터페이스 내에 2~7 0 내지 2 진 숫자를 모두 8 개의 독립적 인 데이터 선, 각이있다; 이들 숫자의 합계 255 각 데이터 선마다 많은 시스템과 인터페이스 할 수있는 별도의 동시 트리거 신호로서 이용 될 수있는 0부터 번호의 범위와 동일 할 수있다. 이 트리거 신호는 통상적으로 TTL 신호 또는 펄스 라 보통 간단한 구형파 전압 신호이다.

운동 시험 중에 공통 동기화 이벤트가 가상 환경에서 참가자의 위치에 기초하여 개시하는 적외선 LED 기반 모션 캡쳐 시스템을 이용하여 추적. 동기화우리 VR 소프트웨어로부터 이벤트 신호 (TTL)는 동시에 우리 EMG 데이터 및 모션 캡쳐 흐름 (도 3)에 VR 동기화 이벤트를 전송하도록 설계된다 커스텀 회로로 라우팅된다. EMG 시스템은 지속적인 근육 활동과 TTL 펄스를 기록한다. VR 신호는 모션 캡쳐 시스템에서 LED에 전원 공급을 제어 회로의 액티브 부분을 통해 라우팅된다. TTL 펄스를 수신하면, 재 라우팅 된 LED는 잠시 동안 턴 오프된다. 이 이벤트는 모션 캡쳐 시스템에 의해 기록 및 EMG 시스템에 의해 기록 된 TTL 펄스에 시간적으로 동기된다. 이 이벤트는이어서 분석에 대한 신호를 정렬하기 위해 사용될 수있다.

(도 3에 개략적으로 도시 된) 회로의 활성 부분은 주로 일반적으로 "555 타이머 회로"(16)로 알려진 집적 회로 (IC) 또는 "칩"에 기초한다. 555의 출력타이밍 회로 (일반적으로 낮은 전압)은 USB 전원에 의해 제공되는 일정 전압에 따라 NAND (부정 AND) 게이트에 입사한다. NAND 게이트는 두개의 입력은 높은 (예를 들면 레일 전압) 낮은 값이다 (즉, 0V)를 출력 전기 논리 요소이다. 도 3의 삽입 된 동기화 이벤트 신호를 수신 할 때 우리의 회로의 동작을 자세히 설명. 회로는 LED를 오프 기간은 R1 및 C1에 사용되는 값에 의존하고, 식에 의해 발견된다 : t = 1.1 * R1 * C1. 하나의 메가 옴 하나의 마이크로 패럿의 현재 기술 실험에 필요한 저항 및 커패시턴스 값은 각각 일반적인 운동 (이 디자인에 대한 약 1 초)의 지속 시간보다 짧은 동기화 빛 정지를 생성한다.

동기화에 대한 현재의 프로토콜의 방법은 상업적으로 사용할 수있는 옵션에 비해 많은 장점이 있습니다. 그위한 회로 구성 요소와 필요한 도구ssembly 최소의 비용으로 9 전기 부품 공급 업체에서 쉽게 사용할 수 있습니다. 또한, 동기화를위한 간단한 하드웨어 기반의 솔루션을 더 쉽게 실험자에 수 있습니다 실험 세션 동안 발생할 수있는 문제를 디버깅합니다. 마지막으로, 상당히 유비쿼터스 TTL 신호를 이용하여, 하나는 쉽게 다른 방법론 및 장비 (예 : EEG)를 활용하는 새로운 실험 설계에 적용 할 수 있습니다. 이 프로토콜에 기재된 다기능 시스템의 잠재적 인 단점은, 다수의 데이터 수집 시스템과의 실험적 셋업의 복잡성이다. 이 긴 실험 세션, 참가자의 피로 및 시스템 오류에 대한 여러 기회가 발생할 수 있습니다. 실험자는 매우 구체적인 신경 근육 현상을 조사하는 것을 목표로 간결 실험 패러다임을 설계를 통해 문제를 최소화 할 수 있습니다.

일반화 번지를 제공하는 것을 목표로이 프로토콜에 구현 된 회로 및 전체 동기화 절차다수의 동시 데이터 스트림을 기록하여 생체 역학 실험을 수행 idelines. 이 프로토콜은 아날로그 입력 또는 트리거 또는 LED 신호있는 모든 장비에서 데이터 스트림을 동기화하는 절차에 대해 설명합니다. 그러나, LED를하지 않고 수동적 동작 추적 시스템을 사용하는 연구자는, 아마도 현재 기재된 용액을 변경해야 할 것이다. 수동 모션 캡처 및 기타 촬영 및 디지털 동기 회로에 의존 할 필요가 없습니다 트리거 자극 장비와 시스템. 대신에, 이러한 시스템은 사용자 정의 소프트웨어 기반 솔루션에 의존 것이다의 디자인은 현재의 시스템의 실시 예로부터 추론 할 수있다. 따라서, 프로토콜은 다른 고유 시나리오 설계 솔루션을 지원하기 위해 일반화 원리를 제공한다.

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Acknowledgments

이 작품은 NIH 보조금 P20의 GM109098, NSF 및 WVU 사전 스폰서 쉽 프로그램 (VG) 및 WVU 부서 시작 기금에 의해 지원되었다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial magnetic stimulator Magstim N/A TMS stimulator and coils
Impulse X2 PhaseSpace N/A Motion capture system
MA300 Advanced Multi-Channel EMG System Motion Lab Systems MA300-28 EMG pre-amplifier and amplifier
Norotrode EMG electrodes Myotronics N/A EMG electrodes
BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block National Instruments 779347-01 BNC Connector Block
NI PXI-1033
5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller
National Instruments 779757-01 DAQ chassis
NI PXI-6254
16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs
National Instruments 779118-01 DAQ card
SHC68-68-EPM Cable (2m) National Instruments 192061-02 Shielded cable
DK1 or DK2 Oculus VR N/A Ocuclus Rift headset
Vizard 5 Lite WorldViz N/A Virtual reality software
C1 and C2 capacitors varied N/A Adjust values to suit
R1 and R2 resistors varied N/A Adjust values to suit
CD4011 NAND gate varied N/A NAND gate
2N2222 transistor varied N/A Transistor
NE555 timer circuit varied N/A Timer circuit
DB25 and USB connectors varied N/A parallel and USB connectors

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References

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경 두개 자기 자극, 근전도, 모션 캡쳐, 가상 현실을 이용하여 인간의 모터 제어 유학을위한 다기능 설치
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Talkington, W. J., Pollard, B. S., Olesh, E. V., Gritsenko, V. Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality. J. Vis. Exp. (103), e52906, doi:10.3791/52906 (2015).More

Talkington, W. J., Pollard, B. S., Olesh, E. V., Gritsenko, V. Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality. J. Vis. Exp. (103), e52906, doi:10.3791/52906 (2015).

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