Multifunksjonell Setup for å studere menneskelig Motor kontrollen Bruke Transkraniell magnetisk stimulering, Elektromyografi, Motion Capture, og Virtual Reality

Abstract

Studiet av nevromuskulær kontroll av bevegelse hos mennesker oppnås med en rekke teknologier. Ikke-invasive metoder for å undersøke nevromuskulær funksjon inkluderer transcranial magnetisk stimulering, elektromyografi, og tredimensjonale motion capture. Ankomsten av lett tilgjengelige og kostnadseffektive virtual reality løsninger har utvidet mulighetene for forskere i å gjenskape "virkelige verden" miljøer og bevegelser i et laboratorium setting. Naturalisbevegelsesanalyse vil ikke bare samle en større forståelse av motorisk kontroll hos friske individer, men også tillate design av eksperimenter og rehabiliteringsstrategier som er rettet mot spesifikke motoriske vansker (for eksempel slag). Kombinert bruk av disse verktøyene vil føre til stadig dypere forståelse av nevrale mekanismer for motorstyring. Et sentralt krav ved kombinasjon av disse datainnsamlingssystemer er greit tidsmessig sammenheng mellom de ulike datastrømmer. Thans protokollen beskriver et multifunksjonelt system samlede tilkobling, intersystem signalering, og det timelige synkronisering av data. Synkronisering av komponent systemer er først og fremst oppnås gjennom bruk av en passelig krets, lett fremstilles med hyllevare komponenter og minimale elektronikkmontasjen ferdigheter.

Introduction

Virtuell virkelighet (VR) er raskt blitt en tilgjengelig forskningsverktøy for bruk i en rekke felter, inkludert studiet av menneskelig bevegelse. Studiet av øvre lem bevegelse er spesielt godt av å innlemme VR. Virtuell virkelighet tillater rask tilpasning av eksperimentelle parametre som skal undersøke spesifikke kinematiske og dynamiske egenskaper av armbevegelse kontroll. Disse parametrene kan justeres individuelt for hvert fag. For eksempel kan plasseringen av virtuelle mål skaleres for å sikre lik innledende arm holdning på tvers av fag. Virtuell virkelighet gjør det også manipulering av visuell tilbakemelding i løpet av eksperimenter, som er et uvurderlig verktøy i visuomotor forskning ^1-5.

Bruken av realistiske VR miljøer med andre biomekaniske verktøy vil også tillate naturalistiske bevegelse scenarier som å teste bevegelsesmønstre. Denne ordningen blir stadig mer verdifull forstudiet og praktisering av rehabilitering etter sykdom og skade ^6,7. Mimicking naturalistiske bevegelser og miljøer (f.eks utfører bevegelsene i et virtuelt kjøkken) i en klinisk setting vil gjøre det mulig rehabiliterings spesialister til mer presist å beskrive en persons svekkelser i en reell sammenheng. Svært individualisert nedskrivninger beskrivelser vil gi rom for mer fokuserte behandlingsstrategier, og potensielt øke effektiviteten og redusere varigheten av rehabilitering.

Kombinere VR med andre verktøy som transcranial magnetisk stimulering (TMS), overflate elektromyografi (EMG), og full body motion capture, skaper en ekstremt kraftig og fleksibel plattform for å studere nevromuskulær kontroll av bevegelse hos mennesker. Transkraniell magnetisk stimulering er en kraftig non-invasiv metode for måling av oppstemthet og funksjonell integritet synkende motorveier (f.eks corticospinal kanalen) gjennom EMG responses som motor fremkalt respons (MEPS) ^8. Moderne tredimensjonale motion capture-systemer også aktivere forskere å studere nevromuskulær aktivitet sammen med resulterende bevegelse kinematikk og dynamikk. Dette tillater dannelsen av meget detaljerte modeller i muskel-skjelettsystemet, i tillegg til testing av hypoteser når det gjelder struktur og funksjon av nerve kontrollere. Disse studiene vil utvide vår vitenskapelige kunnskap om menneskets sensorimotoriske veiene og føre til forbedringer i behandling av muskel- og skjelett og nevrologiske lidelser.

Det er imidlertid ett stort problem med multifunksjonelle systemer synkronisering av innspilte separat datastrømmer (f.eks motion capture, EMG, etc.). Målet med denne protokollen er å beskrive en generell nytte arrangement av felles kommersielt tilgjengelige systemer å samtidig spille inn biomekaniske og fysiologiske målinger under bevegelse. Andre forskere som bruker utstyr fraforskjellige produsenter kan ha til å endre elementer av denne protokollen for å passe deres spesifikke behov. Imidlertid bør generelle prinsipper fra denne protokollen fortsatt være aktuelt.

Protocol

Alle deltakerne i eksperimentering gjennomgå informert samtykke prosedyrer godkjent av West Virginia University Institutional Review Board (IRB).

1. Totalt Systemegenskaper, Design, og General Experimental Task

Merk: komplett oppsett består av følgende hovedkomponenter: EMG utstyr og tilhørende digitale kjøp (DAQ) utstyr; et motion capture system (denne protokollen inneholder en aktiv LED system); en TMS enhet med en figur-of-eight coil og stereotaksisk lokalisering utstyr; en VR headset og tilhørende datamaskin og programvare; og en tilpasset synkroniseringskrets. Figur 1 skjematisk beskriver tilkobling mellom protokoll komponenter.

1. Tilkobling av Systemkomponenter
   1. Koble EMG pre-forsterker til hovedforsterker.
   2. Koble utgangen av EMG forsterkeren til DAQ opptaksutstyr innspill blokk bruker BNC eller lignende forbinsjoner.
   3. Koble DAQ opptaksutstyr til dedikert maskin som vil utføre en datainnsamling script (tilleggs fil).
   4. Koble VR kontroll datamaskin parallell utgang til tilpasset kretsenhet (se neste avsnitt for detaljer).
   5. Koble synkronisering og motion capture utløser utganger fra tilpassede krets til DAQ innspillingen blokk sammen med EMG signalforbindelser.
   6. Split motion capture avtrekkeren og koble den til "Analog Input Start" porten på EMG DAQ utstyr samt trigger-tilkobling på datamaskinen som styrer motion capture-utstyr.
      Merk: Den midlertidige forskjellen mellom begynnelsen på de respektive datainnsamlingsstrømmer for den beskrevne utstyr (motion capture og EMG) kan variere 160-190 msek. Denne tidsmessige forskjell motivert utformingen av synkroniseringskretsen som er beskrevet i denne protokollen, og er sannsynligvis forårsaket av programvare og maskinvare forskjellene mellom disse to systemer.
   <li> Connect TMS utløse port på tilpasset krets enhet til BNC inngang trigger på TMS kontrollenheten.
   7. Nettverkstilkoblingen mellom VR og motion capture-datamaskiner som bruker leverandør medfølgende programvaren og fysiske nettverkstilkoblinger.
   8. Koble VR headset til VR datamaskin og sikre kompatibilitet med noen skript / programmer som viser virtuelle miljøer til deltakerne.

Figur 1:. Tilkobling av hele oppsettet Dette oppsettet beskriver den generelle tilkobling mellom elementene i vårt system. Synkroniseringskretsen er beskrevet andre steder i teksten i mer detalj. Den blå strek tilsvarer signalet som starter både motion capture og EMG-datastrømmer. Denne hendelsen er kilden til den tidsmessige forsinkelse på opptil 190 msek ved hjelp av utstyr som er beskrevet i denne protokollen. Den røde spor tilsvarer VR-initiert synchronization hendelse som samtidig registrert av motion capture og EMG systemer og senere brukes til time innretting av de respektive datastrømmer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. Generelle Detaljer om System Integration og synkronisering

Merk: Synkronisering av de separate datainnsamlingssystemer i denne protokollen (motion capture og EMG) oppnås gjennom bruk av en hendelse signal som er felles for alle opptaks bekker. Ved hjelp av en vanlig hendelse, kan alle de signalene bli midlertidig realigned etter datainnsamling for å minimere opptak i sanntid avvik (i overkant av 190 msek bruker utstyret i denne protokollen). I denne protokollen, kommer det felles signal fra VR-systemet som en parallellport signal. Den felles signal som føres til en krets som muliggjør synkronisering av data separatestrømmer gjennom direkte opptak med EMG-signaler og ved samtidig å slå av en motion capture LED. Kretsen er konstruert ved hjelp av grunnleggende verktøy og teknikker for å bygge elektroniske komponenter, tilsvarende kretser som er beskrevet andre steder ^9.

1. Design, Layout, og bygging av Synkronisering Circuit
   1. Identifisere eventuelle analoge TTL-basert utløser mekanismer på utstyrskontrollenhetene (f.eks TMS, motion capture) og bli kjent med utløser krav som TTL puls retning (positive / negative) og amplitude. Analoge utløser mekanismer ofte har vanlige "BNC" koaksialkontakter som gjør forbinder komponenter enkel.
   2. Legge til en ekstra LED til bevegelse capture system som skal benyttes for signal-synkronisering; rute LED ledninger gjennom synkroniserings krets (figur 3).
   3. Bestem elektrisk komponent parametre (dvs. motstand, kapasitans) for å TURn av synkroniserings LED for en bestemt tidsperiode. Finn den tid at kretsens synkronisering LED slås av ved ligningen: t = 1,1 * R1 * C1. Denne gangen er foreslått å være mindre enn den gjennomsnittlige varigheten av en eksperimentell bevegelse. For eksempel kreves det for tiden beskrevne eksperiment ble en motstand og kondensator vurdert ved omtrent en megaohm og en mikrofarad, respektivt.
   4. Bruk en loddebolt for å overholde elektriske komponenter til en trykt "protoyping" eller "prosjekt" kretskort følgende skjematisk vist i Figur 3 Legg ved denne kretsen i en vanlig plast "prosjekt" boksen.; vil det trolig være nødvendig å bore hull i denne boksen for BNC-kontaktene. Kretsen kan lett bli drevet av 5 V USB strøm fra en stasjonær datamaskin; vil det være nødvendig å dekonstruere en USB-kabel for å isolere strøm og jord ledninger. Bypass kondensatorer kan også være behov for å regulere strømmen til 555brikke (ikke vist i figur 3).
   5. Inspiser kretskort for eventuelle utilsiktede lodde broer mellom elektriske komponenter. Hvis funnet, fjerne loddetinn med en suge verktøy eller varme opp loddetinn og mekanisk fjerne bridging tilkobling.

Figur 2:. Trial flyt Denne flytskjema skisserer stimulans og signal hendelser som oppstår i løpet av en typisk eksperimentell studie som inkluderer TMS stimulering. Parallellporten koder som oppstår gjennom en rettssak er vist i DB25 skjematiske symboler (lys blå).

2. Synkroniserings Detaljer
   1. Ved hjelp av et flytdiagram i likhet med fig 2, bestemme når de enkelte deler av utstyret skal utløses i løpet av en eksperimentell bevegelse. For eksempel kan en del utstyr individuelt utløst, mens andre kan samtidig utløses. På tidspunkter som krever utløsende eller signalanlegg (f.eks blå parallellporten symboler i figur 2), bestemme hvilke parallellporter signal linjer å bruke og innlemme dem i VR-systemet. Dette oppnås ved å sende numeriske verdier til parallellporten ved de angitte tider i løpet av bevegelser, hvor hver linje representerer et binært siffer. For mer informasjon om parallellportbasert signalering, henvises det til diskusjon.

Figur 3:. Synkronisering Circuit viser dette skjematisk utformingen av vår skikk synkronisering krets. Standard Utgangen fra NOG-porten er en høyspent tilstand; denne spenning sendes til porten til en transistor gjennom hvilken synkroniserings LED krets rutes. Denne standardtilstand gjør kretsen lukket, som opprettholder LED i en opplyst tilstand. Ved mottak av en sync trigger parallellport signal (rødt spor i innfelt), en intern tilstand av 555-enheten er snudd rendering utgang til en høy tilstand, slå av LED (blå strek). Når dette skjer, vil spenningen på C1 (grønne kurven) bygger seg opp til en spenning som tilbakestiller den interne tilstand av 555, reaktivere LED. Parallellport synkroniseringstriggersignal også direkte føres til en BNC-kontakt som er koblet til TMS inngangstrigger port. Merk: Retningen på dette trigger signal kan måtte reverseres (fra positiv-negativ pågå eller vice-versa) avhengig av en etterforsker spesifikke utstyrskrav. Tillegg av en "inverter" chip på dette trigger utgang ville lett oppnå denne oppgaven. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. Eksperimentelle Prosedyrer

1. Sikkerhetsprosedyrer og informert samtykke
   1. Ensure at alle eksperimentelle prosedyrer er godkjent av en Institutional Review Board (IRB). Forklare alle prosedyrer til deltakerne og få informert samtykke med IRB godkjent dokumentasjon.
   2. Etter å skaffe informert samtykke, gjennomføre en grunnleggende TMS sikkerhet screening med deltakere for å sikre at de ikke har tinnitus, en familiehistorie med epilepsi eller anfall, eller andre tilstander med forhøyet risiko for anfall.
   3. Under TMS stimulering, strengt krever bruk av verne øreplugger for å forebygge hørselsskader.
2. Elektromyografi Collection
   1. Avhengig av de vitenskapelige målene for leserens studie, bestemme fra hvilken arm muskler til å ta opp EMG-signaler. For studien beskrevet i denne protokollen, momentene generert på skulderen og albuen under bevegelse ble undersøkt. Dermed EMG-signaler innspilt var fra de store overfladiske musklene som virker på disse to leddene, for eksempel delta, pectoralis, biceps, triceps, og brachioradialis.
   2. Gjør alle nødvendige elektriske forbindelser mellom ulike EMG utstyr inkludert forsterkere, forforsterkere, sensor ledninger og sensor pads i henhold til produsentens spesifikasjoner ved å koble matchende kontakter.
   3. Forbered hver elektrode stedet ved lett å rengjøre den med en spritserviett, fjerne noen overdreven hår med en barberhøvel, og ved å bruke en mild slipende gel. Riktig grunnarbeid vil sikre konsistente og lave elektrode-til-hud impedansverdiene (<10 kohm) og høyt signal-til-støy-forhold av innspilte EMG-signaler.
   4. Har fagene utføre isometriske kontraksjoner utformet for å isolere enkelte muskler i området basert på aksepterte anatomiske og biomekaniske beskrivelser ^10. For eksempel, for å isolere biceps, spør deltakeren til å motstå en pålagt utvidelse av albuen.
   5. Etter å ha fagene utføre muskel-isolere sammentrekninger, påføre differensial bipolare EMG elektroder over tykkeste, sentrale portipå, eller "mage", av hver muskel på aksepterte steder ^11. Dette sikrer en maksimal dekning av antall muskelfibre og minimaliserer "crosstalk" mellom nabo muskler. Sørg for å justere de bipolare elektroder 'lengste akser langs muskler, parallelt med fibrene.
   6. Påføre EMG bakken elektrode i henhold til utstyrsspesifikasjoner (f.eks huden over C7 vertebra).
   7. Post forsterket EMG-signaler gjennom DAQ utstyr kontrolleres av en tilpasset datamaskin script. Skriptet brukt i nåværende protokoll er vedlagt som et supplerende fil.
   8. Juster gevinster gjaldt registrerte signalene til ønsket nivå ved å flytte hjulene på EMG forforsterker. Unngå forsterkningsverdier som forårsaker registrerte signaler å overskride inngangsområdet til opptaksutstyr (typisk 5V). Vanlige EMG gain verdier er mellom 1000-4000.
   9. Utføre lignende isometriske kontraksjoner til det som utføres i trinn 3.2.4 og visuelt inspisere EMG signals for å sikre at de er av høy kvalitet (dvs. høyt signal-til-støy-forhold). Omplassere elektroder og endre signalforsterkning om nødvendig.
3. Motion Capture System Forberedelse
   1. Kalibrere bevegelsessporing kameraer som benytter levert av leverandør instruksjoner og utstyr i henhold til produsentens instruksjoner.
   2. Ved hjelp av tape og andre tara, feste aktive LED sensorer til benete landemerker i nærheten leddene i armen og andre anatomiske interessante brukt i konstruksjonen av biomekaniske modeller: den distale falanks av pekefingeren, radial og ulnar styloid prosesser ved håndleddet , olecranon prosess ved albuen, coracoid og acromion prosesser av skulderen, sternoclavicular hakk, xiphoid prosess, og spinous fremgangs C7. Fest en annen LED til VR headset for å angi utsiktspunkt i det virtuelle miljøet.
   3. Koble hver LED til et ledningsnett som er festet til den trådløse driverenhet. Slå på sjåføren undet og sikre riktig belysning av alle lysdioder.
   4. Plasser synkronisering LED på et passende sted vekk fra motivet, men innenfor klart syn på kameraene.
4. Transkraniell magnetisk stimulering stereotaksisk Lokalisering
   1. Kalibrer maskinvare og programvare som er designet for TMS registrering ^12, for å tillate nøyaktig plassering spolen. Dette innebærer vanligvis co-registrering TMS spoler med anatomiske landemerker som nasion, preauricular poeng, og nesetipp. Stereotaksisk registrering mellom en deltaker og stimulering spolen er integrert konsistent stimulering lokalisering.
5. MEP Hot-spot Lokalisering og MEP Threshold Pprocedures
   1. Utføre såkalte "hot-spot" teknikker for å finne TMS-sensitive områder av hjernebarken som produserer de største amplitude parlamentsmedlemmer med lavest terskel ved stimulering ^8,13,14. Transkraniell magnetisk stimulering for å studere motorsystemer typiskinnebærer stimulering av en kortikal område som styrer bevegelse i en bestemt del av kroppen (f.eks armen og hånden) ^15.
   2. Spill plasseringen av noen ideell stimulerings steder på deltakerne hodebunnen med kalibrert stereotaxic registreringsutstyr og tilhørende programvare. Etter hvert sted blir registrert med programvaren, sikre dens nøyaktighet ved å flytte stedet og stimulerende igjen, på jakt etter lignende MEP svar.
6. Behavioral Task i Virtual Reality
   1. Designe parametrene av atferds oppgaven (f.eks rekkende bevegelser) som skal brukes i forsøket. I denne studien, er oppgaven å komme til virtuelle mål plassert sekvensielt i forskjellige romlige steder. Størrelsen av skivene definerer nøyaktighet med hvilken deltakerne bevege seg. Designe bevegelsene slike som varierende retninger og størrelsene av felles momentene blir fremkalt som deltakere nå for målene.
   2. Oppsett VR miljø som guiderfag gjennom atferds oppgave å bruke kommersielle VR programvare som er kompatibel med headsettet og motion tracking system i henhold til produsentens protokoll. Bli kjent med programvarepakken obligatoriske beregningsressurser og programmering språkkrav. Vanlige VR programvarepakker har evnen til å bli programmert med språk, inkludert Python, C ++, C #, og andre. I tillegg program analoge utganger gjennom parallellporten for synkronisering og merking av bestemte hendelser av interesse (figur 2). I dagens eksperiment, VR-programvaren mater ut arrangement ved starten av hver repetisjon av oppgaven og til tider ønskelig TMS stimulering.
   3. Koble VR utgangen til synkroniseringskretsen (figur 3) og / eller annet utstyr for å bli synkronisert med kabler med tilhørende kontakter.
   4. Instruere fag for å utføre VR atferds oppgaven. I denne studien var det VR miljøpresenteres ved hjelp av en head-montert display der deltakerne på matriser av sfæriske mål. Bruk av VR programvare, programspesifikke bevegelsessekvenser ved å endre utseendet på mål (farge, plassering, etc.) og sette deltakerne med disse handlingene. I tillegg informere deltakerne om eventuelle andre ønskede bevegelse begrensninger. For eksempel ble deltakerne i studien bedt om å holde alle segmenter arm innenfor en vertikalplanet bevegelse mens nå for mål.
   5. Når deltakerne er vant til de eksperimentelle bevegelser, rekord EMG og bevegelsesdata, og synkronisering signaler ved hjelp av tilpassede skript eller programvare fra leverandøren pakker. Justere samplingsfrekvens på hver datainnsamling system til ønskede verdier; i tillegg bli kjent med og justere eventuelle produsentspesifikke parametre som motion-tracking LED intensitet.

Representative Results

Synkronisering av de mange datastrømmer i dette oppsettet gjør det mulig å ta opp kinematikken, kontinuerlig muskelaktivitet (EMG), og momentant nevromuskulær aktivitet (MEPS) som oppstår under bevegelser av øvre lem. Gjentatte forsøk med en bestemt bevegelse er nødvendig for å rekonstruere MEP-responsprofiler over en hel bevegelse. Figur 4 viser data som er samlet fra et emne. Figur 4A viser et eksempel på disse datastrømmer i en enkelt forsøk med de tilsvarende synkroniseringssignaler og hendelser. Temporal justering av signaler med hensyn til synkronisering hendelsen er en enkel post-hoc prosedyren ved hjelp av signalanalyse programvare (signalene er "forskjøvet" i tid ved hjelp av synkroniserings hendelsen som en vanlig time anker). Signaler kan da være tids normalisert med varigheten av hver bevegelse prøving. Uten synkronisering, kan EMG og motion capture datastrømmer har en tidsmessig avvik som grspise så 160-190 msek. Imidlertid, ved å utnytte synkroniserings i tillegg til utbredt TTL-signalering, må brukere kan forvente å minimalisere tidsmessige feil mellom datastrømmer til grensen av prøvetakings frekvensene av de signaler (ca. en msek i dette eksempelet). Figur 4B viser gjennomsnittsvinkel kinematikk og dynamikk over 24 studier for en enkelt bevegelse, den lange hodet av biceps EMG profil fra studier uten TMS under de samme bevegelsene, og de tilsvarende rekonstruerte MEP profiler fra studier med single-puls TMS under bevegelsen til de samme målene.

Figur 4:. Justering av EMG og Motion Capture (A) Representative signaler som registreres i løpet av en eksperimentell studie vises i venstre kolonne på listene. De blå og røde sirkler tilsvare det samme VR-generert synkronisering hendelse registreres med to separate stykker av utstyr (illustrert ved å dele svart linje). Disse tidspunkter og respektive data er senere timelig justert ved hjelp av tilpasset programvare. Forskjellen mellom disse to tidspunkter kan være i overkant av 190 msek ved hjelp når du bruker utstyret som er beskrevet i denne protokollen; andre forskere som bruker forskjellig utstyr kan oppleve ulike forsinkelser. (B) Etter time innretting, gjennomsnitt data kan bli opprettet for å beskrive den fysiologiske, kinematisk, og dynamiske egenskapene til en bevegelse. Disse data representerer 24 studier av samme bevegelse; barene på bicepsen MEPs grafen og de skraverte områdene på andre grafene representerer standardavvik. Disse dataene kan deretter brukes til å beskrive potensielle synkende motor styringssignaler i forhold til muskelaktivitet og bevegelse kinematikk og dynamikk.

Discussion

Formålet med denne artikkelen er å beskrive en fremgangsmåte for å innlemme VR i studiet av menneskelig bevegelse, og en fremgangsmåte for synkronisering av forskjellige datastrømmer. Virtual Reality vil utvide mulighetene til forskere som forsøker å gjenskape reelle bevegelse scenarier i et laboratorium setting. Kombinere VR med andre nevromuskulære opptak og stimulanse metoder danner en kraftig pakke med verktøy for omfattende å studere menneskelige motor kontrollmekanismer. De resulterende flerdimensjonale datasett innhentet under omhyggelig utformet eksperimenter kan utdype vår forståelse av det nevrale kontroll av bevegelse.

En av de viktigste funksjonene i dette systemet er muligheten til å synkronisere elektrofysiologiske og motion capture datastrømmer med vanlige VR-genererte hendelser. Skikken krets beskrevet i denne protokollen fungerer som en fleksibel, kostnadseffektiv stiftelse som kan endres for å tilfredsstille de unike kravene i annet experimental paradigmer og utstyr, tilsvarende løsninger i andre felt ^9. Den felles synkronisering arrangementet er en parallell utgang kommando som stammer fra datamaskinen som driver vår VR programvare. Fordelene med en standard parallelt grensesnitt er dens enkelhet, hurtighet og fleksibilitet. Innenfor et parallelt grensesnitt er det åtte uavhengige datalinjer, hver representerer et binært tall fra 2 ^{0 til 2 7;} summen av disse tall kan være lik en rekke tall fra 0 til 255. Hver av de respektive datalinjer kan benyttes som separate og samtidige triggersignaler for å samhandle med en rekke systemer. Disse startsignalet er vanligvis enkle firkantbølgespenningssignaler, ofte referert til som TTL-signaler eller pulser.

Under en bevegelse rettssak, er det felles synkroniserings hendelsen igangsatt basert på en deltaker beliggenhet i et virtuelt miljø spores ved hjelp av en infrarød LED-basert motion capture system. Synkroniserhendelse signal (TTL) fra vår VR programvare rutes til den tilpassede krets som er konstruert for å samtidig overføre VR synkronisering arrangementet til våre EMG data og motion capture bekker (figur 3). EMG-systemet registrerer TTL puls med pågående muskelaktivitet. VR-signalet blir også rutet gjennom den aktive delen av kretsen, som regulerer strømtilførselen til en LED fra bevegelses capture system. Ved mottak av TTL-puls, blir re-rutet lampen slått av i en kort periode. Denne hendelsen er registrert av motion capture-systemet og er timelig synkron med TTL puls registrert av EMG-systemet. Denne hendelsen kan deretter brukes til å justere signalene for analyser.

Den aktive delen av kretsen (skjematisk vist i figur 3) er i hovedsak basert på en spesifikk integrert krets (IC) eller "chip", vanligvis kjent som en "555 timer circuit" ^16. Utgangen fra 555timing krets (normalt en lav spenning) inngår en NAND (opphevet AND) gate sammen med en konstant spenning levert av USB-strøm. En NAND gate er en elektrisk logikk komponent som utganger en lav verdi (dvs. 0V) når de to inngangene er høy (f.eks rail spenning). Det innfelte i Figur 3 beskriver driften av kretsen når den mottar et synkroniseringssignal hendelse. Varigheten at kretsen slår av LED avhenger av verdiene som brukes for R1 og C1, og finnes ved ligningen: t = 1,1 * R1 * C1. De for tiden beskrevne eksperiment nødvendige motstand og kapasitans verdier av en megaohm og en mikrofarad, henholdsvis, for å frembringe synkronisering lys quiescence kortere enn varigheten av en typisk bevegelse (ca. ett sekund for denne utformingen).

Den nåværende protokollen metode for synkronisering har mange fordeler sammenlignet med kommersielt tilgjengelige alternativer. Kretskomponenter og nødvendige verktøy for sinssembly er lett tilgjengelig på elektriske komponentleverandører for minimal kostnad ^9. I tillegg er en enkel hardware-basert løsning for synkronisering tillater forskere å lettere feilsøke problemer som kan oppstå under eksperimentelle økter. Til slutt, ved å utnytte ganske allestedsnærværende TTL signalering, man kan lett tilpasse seg nye eksperimentelle design som benytter ulike metoder og utstyr (for eksempel EEG). En potensiell ulempe med den multifunksjonelle systemet beskrevet i denne protokollen er kompleksiteten av forsøksoppsett med mange datainnsamlingssystemer. Dette kan resultere i lange eksperimentelle økter, deltaker trøtthet, og flere muligheter for systemsvikt. Forskere kan minimere problemene gjennom å utforme fyndig eksperimentelle paradigmer som tar sikte på å undersøke svært spesifikke nevromuskulære fenomener.

Kretsen og generelle synkroniseringsprosedyren implementert i denne protokollen som mål å gi generell nytte guidelines for å utføre biomekaniske eksperimenter med flere, samtidig registrerte datastrømmer. Protokollen beskriver prosedyrer for å synkronisere datastrømmer fra utstyr med analoge innganger eller utløsere eller LED-signaler. Imidlertid vil etterforskerne bruker passive bevegelsessporingssystemer uten LED, sannsynligvis nødt til å endre tiden beskrevet løsning. Systemer med passive motion capture og annet opptaks og stimulerende utstyr som er digitalt utløst trenger ikke å stole på synkroniseringskrets. I stedet må slike systemer er avhengige av tilpasset programvare-baserte løsninger, kan utformingen av som utledes fra eksemplet med dagens system. Dermed gir protokollen generaliseres prinsipper for å hjelpe designe løsninger for andre unike scenarier.

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