Abstract
L'étude de contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme est accompli avec de nombreuses technologies. Les méthodes non invasives pour enquêter sur la fonction neuromusculaire incluent la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, et la capture de mouvement en trois dimensions. L'avènement des solutions de réalité virtuelle facilement disponibles et rentables a élargi les capacités des chercheurs à recréer des environnements et des mouvements "monde réel" dans un environnement de laboratoire. Analyse du mouvement naturaliste ne sera pas seulement recueillir une plus grande compréhension du contrôle moteur chez les individus sains, mais aussi permettre la conception des expériences et des stratégies de réadaptation qui ciblent des déficiences motrices spécifiques (par exemple, accident vasculaire cérébral). L'utilisation combinée de ces outils va conduire à la compréhension plus profonde des mécanismes neuronaux de contrôle moteur. Une exigence clé lorsque l'on combine ces systèmes d'acquisition de données est la correspondance temporelle fine entre les différents flux de données. Tson protocole décrit globale connectivité d'un système multifonctionnel, signalisation inter-, et la synchronisation temporelle des données enregistrées. Synchronisation des systèmes de composants est principalement réalisé par l'utilisation d'un circuit personnalisable, facilement fait avec les composants hors du plateau et électronique minimale compétences d'assemblage.
Introduction
La réalité virtuelle (VR) est rapidement devenu un outil de recherche accessible pour une utilisation dans un certain nombre de domaines, y compris l'étude du mouvement humain. L'étude du mouvement du membre supérieur est particulièrement bénéficié en incorporant VR. La réalité virtuelle permet la personnalisation rapide des paramètres expérimentaux conçus pour étudier les caractéristiques spécifiques cinématiques et dynamiques de contrôle de mouvement du bras. Ces paramètres peuvent être ajustés individuellement pour chaque sujet. Par exemple, les emplacements des cibles virtuelles peuvent être redimensionnées pour assurer identiques posture initial des bras dans toutes les disciplines. La réalité virtuelle permet également la manipulation de rétroaction visuelle au cours d'expériences, qui est un outil précieux dans la recherche visuomoteur 1-5.
L'utilisation des environnements réalistes VR avec d'autres outils biomécaniques permettra également scénarios de mouvement naturel dans lequel de tester les habitudes de déplacement. Cet arrangement est de plus en plus précieux pour leétude et la pratique de la réadaptation après maladies et des blessures 6,7. Mimant les mouvements et les environnements naturalistes (par exemple la réalisation des mouvements dans une cuisine virtuelle) dans un contexte clinique permettront spécialistes de la réadaptation pour décrire plus précisément les déficiences d'un individu dans un contexte réel. Descriptions de valeur fortement individualisée permettront de stratégies de traitement plus ciblés, augmentant potentiellement l'efficacité et en réduisant la durée de la réadaptation.
Combinant VR avec d'autres outils tels que la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), électromyographie de surface (EMG), et plein de capture de mouvement du corps, crée une plate-forme extrêmement puissante et flexible pour l'étude du contrôle neuromusculaire du mouvement chez l'homme. La stimulation magnétique transcrânienne est une méthode non-invasive puissante de mesurer l'excitabilité et l'intégrité fonctionnelle des voies descendantes à moteur (par exemple faisceau cortico-spinal) à travers responsab EMGes tels que potentiels évoqués moteurs (MPE) 8. Systèmes de capture de mouvement moderne en trois dimensions permettent également aux chercheurs d'étudier l'activité neuromusculaire avec résultant cinématique du mouvement et de la dynamique. Cela permet la création de modèles extrêmement détaillés de l'appareil locomoteur ainsi que de tester des hypothèses concernant la structure et la fonction des contrôleurs neuronaux. Ces études permettront d'élargir notre connaissance scientifique du système sensori-moteur humain et conduire à des améliorations dans le traitement de l'appareil locomoteur et des troubles neurologiques.
Cependant, un problème majeur avec les systèmes multifonctionnels est la synchronisation des flux de données enregistrées séparément (par exemple de capture de mouvement, EMG, etc.). L'objectif de ce protocole est de décrire un arrangement généralisable des systèmes disponibles dans le commerce communes d'enregistrer simultanément des mesures biomécaniques et physiologiques pendant le mouvement. D'autres chercheurs utilisant des équipements dedifférents fabricants peuvent avoir à modifier des éléments de ce protocole pour répondre à leurs besoins spécifiques. Cependant, les principes généraux de ce protocole doivent encore être applicable.
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Protocol
Tous les participants impliqués dans l'expérimentation subissent des procédures de consentement éclairé approuvés par le Conseil West Virginia University Institutional Review (CISR).
1. Caractéristiques de système global, la conception et générale tâche expérimentale
Remarque: La configuration complète comprend les principaux composants suivants: équipement EMG et d'acquisition (DAQ) équipement numérique associée; un système de capture de mouvement (ce protocole intègre un système LED actif); une unité de TMS avec une bobine et de l'équipement de localisation stéréotaxique figure-de-huit; un casque VR et l'ordinateur et le logiciel associé; et un circuit personnalisé synchronisation. La figure 1 présente de façon schématique la connectivité entre les composants de protocole.
- Raccordement des composants du système
- Connectez EMG pré-amplificateur à amplificateur principal.
- Connectez sortie de l'amplificateur EMG à DAQ enregistrement bloc d'entrée de l'équipement en utilisant BNC ou Connec similairetions.
- Connectez matériel d'enregistrement DAQ à un ordinateur dédié qui va exécuter un script d'acquisition de données (fichier supplémentaire).
- Connectez sortie parallèle de l'ordinateur de commande VR à l'unité de circuit de mesure (voir la section suivante pour plus de détails).
- Connectez synchronisation et la capture de mouvement déclenchant sorties de circuit personnalisé à DAQ bloc d'enregistrement aux côtés de connexions de signaux EMG.
- De Split capture de mouvement déclencheur et le connecter au port "entrée analogique Démarrer" sur l'équipement EMG DAQ ainsi que la connexion de déclenchement sur l'ordinateur qui contrôle l'équipement de capture de mouvement.
Remarque: La différence temporelle entre les débuts des flux d'acquisition de données respectives pour l'équipement décrit (de capture de mouvement et EMG) peut varier de 160 à 190 ms. Cette différence temporelle motivé la conception du circuit de synchronisation décrit dans le présent protocole et est probablement causée par les différences logicielles et matérielles entre ces deux systèmes. <li> Connect TMS déclencher port sur l'unité de circuit de mesure pour entrée BNC déclenchement de l'unité de contrôle de la TMS.
- Établir la connectivité réseau entre les ordinateurs de VR et capture de mouvement en utilisant un logiciel fourni par le vendeur de connexions réseau et physiques.
- Connectez VR casque à l'ordinateur VR et d'assurer l'opérabilité avec les scripts / programmes qui affichent des environnements virtuels pour les participants.
Figure 1:. Connectivité de configuration entière Cette disposition décrit la connectivité générale entre les éléments de notre système. Le circuit de synchronisation est décrit ailleurs dans le texte de façon plus détaillée. La trace bleue correspond au signal qui commence à la fois la capture de mouvement et de flux de données EMG. Cet événement est la source du retard temporel de jusqu'à 190 ms en utilisant l'équipement décrit dans ce protocole. La trace rouge correspond à la synchronizat de VR-initiésévénement ions qui est concomitante enregistré par la capture de mouvement et systèmes EMG et par la suite utilisé pour l'alignement temporel des flux de données respectifs. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
2. Détails générales de l'intégration du système et synchronisation
Remarque: la synchronisation des systèmes d'acquisition de données distinctes dans ce protocole (de capture de mouvement et EMG) est accompli grâce à l'utilisation d'un signal d'événement qui est commun à tous les flux d'enregistrement. Utilisation d'un événement commun, tous les signaux peuvent être temporellement réaligné après la collecte de données afin de minimiser les écarts d'enregistrement en temps réel (plus de 190 ms en utilisant le matériel dans ce protocole). Dans ce protocole, le signal commun provient du système VR comme un signal du port parallèle. Le signal commun est acheminé vers un circuit qui permet la synchronisation des données séparéruisseaux grâce à l'enregistrement direct avec des signaux d'EMG et en tournant simultanément hors une capture de mouvement LED. Le circuit est construit en utilisant les outils et les techniques de base pour la construction de composants électroniques, semblable à circuits décrits ailleurs 9.
- Conception, mise en page, et la construction de synchronisation Circuit
- Identifier tous les mécanismes basés sur TTL-déclenchement analogiques sur les unités de contrôle de l'équipement (par exemple TMS, capture de mouvement) et se familiariser avec les exigences de déclenchement telles que la direction d'impulsion TTL (positif / négatif) et d'amplitude. Mécanismes de déclenchement analogique possèdent souvent des connecteurs coaxiaux «BNC» communes qui font de composants de connexion simple.
- Ajouter une LED supplémentaire au système de capture de mouvement pour être utilisé pour la synchronisation de signal; Les parcours les fils de la conduisit à travers le circuit de synchronisation (Figure 3).
- Déterminer les paramètres des composants électriques (à savoir résistance, capacité) nécessaire pour turn large de la synchronisation LED pour une période de temps spécifique. Trouvez la quantité de temps que la synchronisation LED du circuit est éteint par l'équation: T = 1,1 * R1 * C1. Ce temps est suggéré d'être inférieure à la durée moyenne d'un mouvement expérimental. Par exemple, l'expérience décrite actuellement requise d'une résistance et d'un condensateur évalué à environ un mégohm et une microfarad, respectivement.
- Utilisez un fer à souder à adhérer composants électriques à une "prototypage" imprimée ou "projet" carte de circuit suivant le schéma de la figure 3 Placez ce circuit dans un plastique couramment disponibles de la boîte de «projet». il sera probablement nécessaire de percer des trous dans cette boîte pour les connecteurs BNC. Le circuit peut être facilement alimenté par 5 V alimentation USB à partir d'un ordinateur de bureau; il sera nécessaire de déconstruire un câble USB pour isoler les fils électriques et de terre. Condensateurs de découplage peuvent également être nécessaires pour réguler la puissance à la 555puce (non représentée sur la figure 3).
- Inspectez la carte de circuit pour des ponts de soudure involontaires entre les composants électriques. Si trouvé, retirez soudure avec un outil d'aspiration ou chauffer la soudure et enlever mécaniquement la connexion de pontage.
Figure 2:. Organigramme de première instance Cet organigramme décrit les relance et de signaux événements qui se produisent au cours d'un essai expérimental typique qui comprend TMS stimulation. Codes du port parallèle qui se produisent tout au long d'un procès sont montrés par les symboles schématiques DB25 (bleu clair).
- Synchronisation Détails
- L'utilisation d'un organigramme similaire à la figure 2, de déterminer quand des équipements individuels doivent être déclenchées au cours d'un mouvement expérimental. Par exemple, certains équipements peut être déclenchée individuellement, tandis que d'autres peuvent être déclenchés simultanément. A des moments qui nécessitent de déclenchement ou de signalisation (par exemple des symboles du port parallèle bleu dans la figure 2), déterminent quel signal ports parallèles lignes à utiliser et les intégrer dans le système VR. Ceci est accompli en envoyant des valeurs numériques au port parallèle dans les délais indiqués lors de mouvements, chaque ligne représentant un chiffre binaire. Pour plus de détails sur la signalisation basée sur le port parallèle, s'il vous plaît se référer à la discussion.
Figure 3:. Synchronisation Circuit Ce schéma affiche la disposition de notre circuit de synchronisation personnalisée. La sortie par défaut de la porte NON-ET est un état de haute tension; cette tension de sortie est envoyée à la grille d'un transistor à travers lequel le circuit de la diode de synchronisation est envoyé. Cet état de défaut rend le circuit fermé, ce qui maintient le voyant dans un état allumé. Dès réception d'une synchronisation Trigger signal parallèle du port (trace rouge dans l'encadré), un état interne de l'appareil 555 est retourné rendre la sortie dans un état haut, coupant la LED (courbe bleue). Lorsque cela se produit, la tension sur C1 (trace verte) construit jusqu'à une tension qui réinitialise l'état interne de la 555, la réactivation de la LED. Le signal de déclenchement de synchronisation parallèle orifice est directement acheminé vers un connecteur BNC qui est relié à l'orifice d'entrée de déclenchement de TMS. Remarque: La direction de ce signal de déclenchement peut être inversée (à partir en positif au négatif en cours ou vice-versa) en fonction des besoins spécifiques de l'équipement de l'enquêteur. L'ajout d'un "inverter" puce sur ce déclencheur sortie pourrait facilement accomplir cette tâche. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
3. Procédures expérimentales
- Procédures de sécurité et consentement éclairé
- Ensure que toutes les procédures expérimentales sont approuvées par un Institutional Review Board (IRB). Expliquez toutes les procédures pour les participants et d'acquérir consentement éclairé avec CISR documentation approuvée.
- Après l'acquisition de consentement éclairé, procéder à un examen de sécurité TMS de base avec les participants afin d'assurer qu'ils ne disposent pas des acouphènes, une histoire familiale d'épilepsie ou de convulsions, ou d'autres conditions avec des risques élevés de saisie.
- Pendant la stimulation TMS, exiger strictement l'utilisation de protections auditives pour éviter des dommages auditifs.
- Électromyographie Collection
- Selon les objectifs scientifiques de l'étude d'un lecteur, déterminer de quel muscles des bras pour enregistrer des signaux EMG. Pour l'étude décrite dans ce protocole, des couples générés à l'épaule et le coude pendant le mouvement ont été étudiés. Ainsi, les signaux EMG enregistrées étaient des grands muscles superficiels qui agissent sur ces deux articulations, comme le deltoïde, pectoral, biceps, triceps, et brachioradialis.
- Faire toutes les connexions électriques nécessaires entre les divers équipements EMG y compris les amplificateurs, préamplificateurs, fils du capteur, et des plaquettes de capteurs selon les spécifications du fabricant de connecteurs de raccordement correspondant.
- Préparez chaque site de l'électrode par la légère le nettoyer avec un tampon imbibé d'alcool, en supprimant toute pilosité excessive avec un rasoir, et en appliquant un gel abrasif doux. La préparation du site assurera des valeurs cohérentes et basse électrode-à-peau impédance (<10 kOhms) et haute rapport signal-bruit des signaux EMG enregistrées.
- Ont sujets effectuent contractions isométriques conçus pour isoler les muscles individuels d'intérêt basé sur des descriptions anatomiques et biomécaniques acceptées 10. Par exemple, pour isoler le biceps, demander au participant de résister à une extension imposée du coude.
- Après avoir sujets exécutent des contractions musculaires isolation, apposer différentielles électrodes EMG bipolaires plus de la plus épaisse, Porti centralesur, ou "ventre", de chaque muscle à des endroits reconnus 11. Ceci assure la couverture d'un nombre maximal de fibres musculaires et minimise "diaphonie" entre muscles voisins. Veillez à aligner plus longs axes des électrodes bipolaires long des muscles, parallèlement aux fibres.
- Apposer l'électrode de masse EMG selon les spécifications de l'équipement (par exemple, la peau sur la vertèbre C7).
- Enregistrez amplifié signaux EMG par du matériel d'acquisition de données contrôlée par un script informatique personnalisé. Le script utilisé dans le protocole actuel est attaché comme un dossier complémentaire.
- Réglez gains appliqués aux signaux enregistrés au niveau désiré en déplaçant cadrans sur le préamplificateur EMG. Évitez les valeurs de gain qui causent les signaux enregistrés à dépasser la plage d'entrée de l'équipement d'enregistrement (typiquement 5V). Valeurs de gain EMG communs sont entre 1,000-4,000.
- Effectuer contractions isométriques similaires à celles exécutées à l'étape 3.2.4 et inspecter visuellement signa EMGls pour assurer qu'ils sont de haute qualité (rapport-à-dire un rapport signal-sur-bruit). Repositionner électrodes et modifier le gain du signal si nécessaire.
- Préparation Motion System Capture
- Calibrer les caméras de suivi de mouvement à l'aide des instructions et de l'équipement fournies par le fabricant selon les instructions du fabricant.
- Avec du ruban et d'autres matériaux d'emballage, lier des capteurs LED actifs à des repères osseux près des articulations du bras et d'autres points anatomiques d'intérêt utilisé dans la construction de modèles biomécaniques: la phalange distale des processus index, radiaux et ulnaire styloïdes au poignet , olécrâne les processus coude, coracoïdes acromion et de l'épaule, encoche sterno-claviculaire, pointe du sternum, et apophyse épineuse de C7. Joindre un autre LED pour le casque VR pour définir le point de vue dans l'environnement virtuel.
- Connecter LED à un faisceau de câbles qui est attaché à l'unité de commande sans fil chacun d'eux. Allumez l'ONU du piloteet assurer un bon éclairage de toutes les DEL.
- Placez la synchronisation LED dans un emplacement idéal loin du sujet, mais à la vue claire des caméras.
- Stimulation magnétique transcrânienne localisation stéréotaxique
- Calibrer le matériel et les logiciels conçus pour l'enregistrement de TMS 12, pour permettre la mise en place de la bobine précis. Ceci implique généralement TMS bobines co-inscrire avec repères anatomiques comme le nasion, les points préauriculaires, et pointe du nez. Enregistrement stéréotaxique entre un participant et la bobine de stimulation fait partie intégrante de localisation cohérente stimulation.
- MEP Hot-spot localisation et MEP Pprocedures de seuil
- Exécuter les techniques dites "hot-spot" pour localiser les régions TMS-sensibles du cortex qui produisent les plus grands députés d'amplitude avec le seuil le plus bas lors de la stimulation 8,13,14. La stimulation magnétique transcrânienne pour étudier les systèmes de moteur généralementconsiste à stimuler une zone corticale qui contrôle les mouvements dans une partie spécifique du corps (par exemple, le bras et la main) 15.
- Notez l'emplacement de tous les sites de stimulation idéales sur le cuir chevelu avec des participants de l'équipement d'enregistrement stéréotaxique calibré et logiciels associés. Après chaque emplacement est enregistré avec le logiciel, assurer l'exactitude en relocalisant l'endroit et de stimuler à nouveau, à la recherche de réponses MEP similaires.
- Tâche comportementale en réalité virtuelle
- Concevoir les paramètres de la tâche comportementale (mouvements par exemple) atteignant être utilisés dans l'expérience. Dans l'étude actuelle, la tâche est d'atteindre des cibles virtuelles placées séquentiellement dans différents emplacements spatiaux. La taille des cibles définit la précision avec laquelle les participants se déplacent. Concevoir les mouvements tels que les différentes directions et amplitudes des couples articulaires sont évoqués comme les participants à atteindre des objectifs.
- Installer l'environnement VR qui guidematières à travers la tâche comportementale en utilisant un logiciel commercial VR qui est compatible avec le système de casque d'écoute et de suivi de mouvement selon le protocole du fabricant. Se familiariser avec les ressources de calcul nécessaires paquet du logiciel et les exigences linguistiques de programmation. Progiciels de VR commune ont la capacité d'être programmé avec les langues, y compris Python, C ++, C #, et d'autres. En outre, des sorties analogiques programme via le port parallèle pour la synchronisation et le marquage des événements spécifiques d'intérêt (Figure 2). Dans l'expérience actuelle, le logiciel VR émet un événement dans le début de chaque répétition de la tâche et à des moments de stimulation TMS souhaitée.
- Connectez la sortie VR au circuit de synchronisation (Figure 3) et / ou les autres équipements doivent être synchronisées en utilisant des câbles avec des connecteurs assortis.
- Demandez sujets pour effectuer la tâche comportementale VR. Dans l'étude actuelle, l'environnement était VRprésenté en utilisant un visiocasque dans laquelle les participants ont perçu des tableaux de cibles sphériques. Utilisation du logiciel VR, programme spécifique mouvement séquences de modifier l'apparence de cibles (couleur, emplacement, etc.) et familiariser les participants avec ces actions. En outre informer les participants de toutes les autres contraintes de mouvement souhaité. Par exemple, les participants à l'étude ont été invités à garder tous les segments de bras dans un plan vertical de mouvement tout en atteignant des cibles.
- Une fois que les participants sont habitués à les données expérimentales mouvements, fiche EMG et de capture de mouvement, et des signaux de synchronisation à l'aide de scripts personnalisés ou progiciels fournies par le fabricant. Régler le taux de chaque système d'acquisition de données à des valeurs de consigne d'échantillonnage; deviennent plus familiers avec et ajuster tous les paramètres spécifiques au fabricant, tels que de suivi de mouvement intensité des LED.
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Representative Results
Synchronisation des nombreux flux de données dans cette configuration permet d'enregistrer la cinématique, l'activité musculaire continue (EMG), et instantanées activité neuromusculaire (MPE) qui se produisent lors des mouvements du membre supérieur. Essais répétés d'un mouvement donné sont nécessaires pour reconstruire des profils de réponse MEP sur un mouvement complet. La figure 4 présente les données recueillies à partir d'un sujet. La figure 4A montre un exemple de ces flux de données au cours d'un seul essai avec les signaux et les événements de synchronisation correspondants. Alignement temporel des signaux par rapport à l'événement de synchronisation est une procédure post-hoc simple en utilisant un logiciel d'analyse de signal (les signaux sont «déplacés» dans le temps en utilisant l'événement de synchronisation comme un ancrage commun temporel). Les signaux peuvent alors temps-normalisée par la durée de chaque essai de mouvement. Sans synchronisation, les EMG et de capture de mouvement des flux de données peuvent avoir un décalage temporel comme grmanger 160-190 ms. Toutefois, en utilisant la synchronisation en plus largement utilisé signalisation TTL, l'utilisateur doit attendre pour minimiser les erreurs temporelles entre les flux de données à la limite des fréquences d'échantillonnage de leurs signaux (environ une ms dans cet exemple). La figure 4B montre la cinématique et la dynamique angulaire moyenne dans 24 essais pour un seul mouvement, la tête longue du profil de l'EMG de biceps d'essais sans TMS au cours des mêmes mouvements, et les profils de MEP reconstruites correspondantes provenant d'essais avec une impulsion unique TMS pendant le mouvement vers les mêmes objectifs.
Figure 4:. Alignement des EMG et Motion Capture (A) des signaux représentatifs qui sont enregistrés lors d'un essai expérimental sont affichés dans la colonne de gauche de graphiques. Les cercles bleus et rouges correspondent au même événement de synchronisation généré par VR enregistré par deux separate pièces d'équipement (illustrés en divisant la ligne noire). Ces points de temps et de données respectives sont ensuite temporellement alignées à l'aide de logiciels personnalisés. La différence entre ces deux points dans le temps peut être plus de 190 msec à l'aide lors de l'utilisation de l'équipement décrit dans le présent protocole; d'autres chercheurs utilisant des équipements différents peuvent éprouver des retards différents. (B) Après alignement temporel, en moyenne les données peuvent être créés pour décrire le physiologique, cinématique, et des caractéristiques dynamiques d'un mouvement. Ces données représentent les 24 épreuves du même mouvement; les barres sur le graphique des députés des biceps et les zones ombragées sur d'autres graphes représentent l'écart-type. Ces données peuvent ensuite être utilisés pour décrire les signaux de commande de moteur descendant potentiels par rapport à l'activité musculaire et la cinématique de mouvement et la dynamique.
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Discussion
L'objectif de cet article est de décrire un procédé d'incorporation VR dans l'étude du mouvement humain et un procédé de synchronisation différents flux de données. Réalité virtuelle va étendre les capacités de chercheurs qui tentent de recréer des scénarios de mouvement du monde réel dans un environnement de laboratoire. Combinant VR avec d'autres méthodes d'enregistrement et de stimulation neuromusculaire forme une puissante suite d'outils pour étudier en détail les mécanismes de contrôle moteur humain. Les ensembles de données multidimensionnelles résultant obtenus au cours des expériences méticuleusement conçus peuvent approfondir notre compréhension de la contrôle du mouvement.
Une des caractéristiques les plus importantes de ce système est la possibilité de synchroniser les flux de données électrophysiologiques et de capture de mouvement avec des événements communs VR-générés. Le circuit de mesure décrite dans ce protocole sert de base flexible, rentable qui peut être modifié pour répondre aux exigences uniques de l'autre expparadigmes erimental et de l'équipement, à des solutions similaires dans d'autres domaines 9. L'événement de synchronisation commun est une commande de sortie parallèle qui provient de l'ordinateur qui fonctionne notre logiciel de VR. Les avantages d'une interface parallèle standard sont sa simplicité, la rapidité et la flexibilité. Dans une interface parallèle il ya huit lignes de données indépendantes, chacune représentant un chiffre binaire de 2 0 à 2 7; la somme de ces chiffres ne peut atteindre une plage de nombres de 0 à 255. Chacune des lignes de données respectives peuvent être utilisés comme signaux de déclenchement distincts et simultanés à l'interface avec de nombreux systèmes. Ces signaux de déclenchement sont généralement simples signaux de tension d'onde carrée, communément appelés signaux TTL ou impulsions.
Lors d'un procès de mouvement, l'événement de synchronisation commun est initiée basée sur l'emplacement d'un participant dans un environnement virtuel suivi à l'aide d'un système de capture de mouvement infrarouge à base de LED. La synchronisationsignal d'événement (TTL) de notre logiciel de VR est acheminé vers le circuit personnalisé qui est conçu pour transmettre simultanément l'événement de synchronisation de VR à nos données EMG et les flux de capture de mouvement (Figure 3). Le système EMG enregistre l'impulsion de TTL avec l'activité musculaire en cours. Le signal VR est également acheminé à travers la partie active du circuit, qui contrôle l'alimentation d'un voyant du système de capture de mouvement. À la réception de l'impulsion de durée de vie, la LED de re-routage est désactivée pendant une courte période de temps. Cet événement est enregistré par le système de capture de mouvement et est temporellement synchrone avec l'impulsion TTL enregistrées par le système EMG. Cet événement peut par la suite être utilisé pour aligner les signaux pour les analyses.
La partie active du circuit (schéma de la figure 3) est principalement basée sur un circuit intégré spécifique (IC) ou "puce", communément connu comme un "circuit de temporisation 555" 16. La sortie 555 de lacircuit de synchronisation (normalement une basse tension) entre dans une NAND (niée ET) porte avec une tension constante fournie par l'alimentation USB. Une porte NON-ET est un composant logique électrique qui délivre en sortie une valeur basse (par exemple 0 V) lorsque les deux entrées sont hautes (par exemple la tension de rail). L'encart dans la figure 3 détaille le fonctionnement de notre circuit lors de la réception d'un signal d'événement de synchronisation. La durée que le circuit désactive la LED dépend des valeurs utilisées pour R1 et C1, et il est retrouvé par l'équation: T = 1,1 * R1 * C1. L'expérience requise résistance et de capacité valeurs actuellement décrits d'une megaohm et un microfarad, respectivement, pour produire de la lumière de synchronisation quiescence plus courte que la durée d'un mouvement typique (environ une seconde pour cette conception).
La méthode de l'actuel protocole de synchronisation a de nombreux avantages sur les options disponibles dans le commerce. Les composants du circuit et des outils nécessaires à son unssembly sont facilement disponibles chez les fournisseurs de composants électriques pour un coût minime 9. En outre, une solution simple basée sur le matériel pour la synchronisation permet aux expérimentateurs de déboguer plus facilement les problèmes qui peuvent survenir au cours de sessions expérimentales. Enfin, en utilisant la signalisation TTL assez omniprésente, on peut facilement adapter à de nouveaux modèles expérimentaux qui utilisent différentes méthodes et de l'équipement (par exemple EEG). Un inconvénient potentiel du système multifonctionnel décrit dans ce protocole est la complexité des montages expérimentaux avec de nombreux systèmes de collecte des données. Cela peut entraîner de longues sessions expérimentales, la fatigue des participants, et de multiples possibilités de défaillances du système. Les expérimentateurs peuvent minimiser les problèmes par le biais de la conception de paradigmes expérimentaux succinctes qui visent à enquêter sur des phénomènes neuromusculaires très spécifiques.
La procédure de circuit et la synchronisation globale mis en œuvre dans ce protocole visait à fournir généralisables guidelines pour réaliser des expériences avec biomécaniques, enregistrées simultanément plusieurs flux de données. Le protocole décrit les procédures pour synchroniser des flux de données à partir de tout équipement avec des entrées analogiques ou des déclencheurs ou signaux LED. Cependant, les chercheurs qui utilisent des systèmes de suivi de mouvement passifs sans LED, auront probablement à modifier la solution actuellement décrit. Systèmes avec la capture de mouvement passif et d'autres équipements d'enregistrement et stimulant qui est numériquement déclenché aura pas besoin d'appuyer sur le circuit de synchronisation. Au lieu de cela, ces systèmes seraient compter sur des solutions à base de logiciels personnalisés, la conception de ce qui peut être déduit de l'exemple du système actuel. Ainsi, le protocole prévoit principes généralisables pour aider la conception des solutions pour d'autres scénarios uniques.
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Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le NIH subvention P20 GM109098, NSF et WVU Programme de commandites ADVANCE (VG), et les fonds de démarrage départementales WVU.
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 |
References
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