Abstract
Die Untersuchung der neuromuskulären Kontrolle von Bewegungen beim Menschen ist mit zahlreichen Technologien erreicht. Nicht-invasive Methoden zur Untersuchung neuromuskuläre Funktion schließen transkranielle Magnetstimulation, Elektromyographie und dreidimensionale Bewegungserfassung. Das Aufkommen von leicht verfügbaren und kostengünstigen virtuellen Realität Lösungen hat die Fähigkeiten von Forschern bei der Wiederherstellung der "realen Welt" Umgebungen und Bewegungen in einer Laborumgebung erweitert. Naturalistische Bewegungsanalyse werden nicht nur Garner ein besseres Verständnis der Motorsteuerung bei gesunden Menschen, aber die Versuchsplanung und Rehabilitationsstrategien, die spezifischen motorischen Beeinträchtigungen (zB Schlaganfall) Ziel erlauben auch. Der kombinierte Einsatz dieser Werkzeuge wird immer tieferes Verständnis der neuronalen Mechanismen der Motorsteuerung führen. Eine wesentliche Voraussetzung, wenn die Kombination dieser Datenerfassungssysteme ist in Ordnung zeitliche Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Datenströmen. Tseinem Protokoll beschreibt allgemeine Konnektivität ein multifunktionales System, Intersystem-Signalisierung und die zeitliche Synchronisation der aufgezeichneten Daten. Die Synchronisation der Teilsysteme wird in erster Linie durch den Einsatz einer kundengerechten Schaltung, leicht mit Komponenten aus dem Regal und minimaler Elektronik-Montage Fähigkeiten gemacht erreicht.
Introduction
Virtuelle Realität (VR) wird immer mehr eine zugängliche Forschungswerkzeug für die Verwendung in einer Reihe von Bereichen, einschließlich der Erforschung der menschlichen Bewegung. Die Studie der oberen Extremität Bewegung wird vor allem durch die Einbeziehung VR profitiert. Virtual Reality ermöglicht die schnelle Anpassung von experimentellen Parametern entwickelt, um spezifische kinematische und dynamische Eigenschaften Armbewegung Steuerung zu untersuchen. Diese Parameter lassen sich individuell für jeden Patienten angepasst werden. Beispielsweise können die Positionen der virtuellen Ziel skaliert werden, um gleiche Ausgangs Armhaltung über Themen zu gewährleisten. Virtual Reality ermöglicht auch die Manipulation der visuelle Rückmeldung während der Experimente, die ein unschätzbares Werkzeug in visuomotorischen Forschung 1 - 5.
Die Verwendung von realistischen VR-Umgebungen mit anderen biomechanischen Tools ermöglichen auch naturalistischen Bewegung Szenarien, in denen um Bewegungsmuster zu testen. Diese Anordnung wird immer wertvoller für dieStudium und Praxis der Rehabilitation nach Krankheiten und Verletzungen 6,7. Imitieren von naturalistischen Bewegungen und Umgebungen (zB Durchführung von Bewegungen in einer virtuellen Küche) in einem klinischen Umfeld ermöglicht Reha-Spezialisten, um eine individuelle Beeinträchtigungen genauer zu beschreiben in einem realen Kontext. Hoch individualisierten Impairment Beschreibungen werden für einen gezielteren Behandlungsstrategien erlauben, potentiell erhöht die Effizienz und reduziert die Dauer der Rehabilitation.
Die Kombination von VR mit anderen Tools wie transkranielle Magnetstimulation (TMS), Oberflächen-Elektromyographie (EMG), und Ganzkörper-Motion-Capture, schafft eine extrem leistungsfähige und flexible Plattform für die Untersuchung der neuromuskulären Bewegungskontrolle beim Menschen. Transkranielle Magnetstimulation ist ein leistungsfähiges nicht-invasive Methode zur Messung der Erregbarkeit und funktionelle Integrität des absteigenden motorischen Bahnen (zB Pyramidenbahn) durch EMG responses wie motorisch evozierte Potentiale (MEPs) 8. Moderne dreidimensionale Motion-Capture-Systeme ermöglichen auch Forschern, neuromuskuläre Aktivität zusammen mit resultierende Bewegung Kinematik und Dynamik zu studieren. Dies ermöglicht die Erstellung von sehr detaillierte Modelle des Bewegungsapparates sowie die Prüfung von Hypothesen in Bezug auf die Struktur und Funktion der neuronalen Controller. Diese Studien werden unsere wissenschaftlichen Kenntnisse des menschlichen sensomotorische System zu erweitern und führen zu Verbesserungen in der Behandlung von Muskel-Skelett-und neurologischen Störungen.
, Ein großes Problem mit Multifunktionssystemen ist jedoch die Synchronisation der Datenströme getrennt erfasst (zB Motion-Capture, EMG, etc.). Das Ziel des Protokolls ist es, eine Anordnung von gemeinsamen generalizable kommerziell erhältlichen Systemen beschreiben gleichzeitig aufgenommen biomechanischen und physiologischen Messungen während der Bewegung. Andere Forscher mit Hilfe von Geräten ausverschiedener Hersteller müssen möglicherweise Elemente dieses Protokoll zu ändern, um ihre spezifischen Bedürfnisse anzupassen. Allerdings sollten die allgemeinen Grundsätze von diesem Protokoll immer noch anwendbar.
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Protocol
Alle Teilnehmer am Experiment beteiligten zogen von der West Virginia University Institutional Review Board (IRB) genehmigt Einwilligungsverfahren.
1. Gesamtsystemeigenschaften, Design, und General experimentelle Aufgabe
Hinweis: Für die Konfiguration besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: EMG Geräten und zugehörigen digitalen Erfassung (DAQ) Ausrüstung; ein Motion-Capture-System (dieses Protokoll enthält eine aktive LED-System); eine TMS-Einheit mit einer Figur einer Acht Spule und stereotaktischen Lokalisierungsgeräte; ein VR-Headset und die damit verbundenen Computer und Software; und eine eigene Synchronisationsschaltung. Abbildung 1 beschreibt schematisch die Verbindung zwischen den Protokollkomponenten.
- Anschluss von Systemkomponenten
- Schließen EMG Vorverstärker zum Hauptverstärker.
- Verbinden Sie den Ausgang des EMG-Verstärker, um DAQ Kontrollgerät Eingangsblock mit BNC oder ähnliche Connecgen.
- Schließen DAQ Kontrollgerät gewidmet Computer, der eine Datenerfassungsskript (Ergänzungsdatei) ausführen wird.
- Schließen VR Steuercomputer Parallelausgang, um benutzerdefinierte Schaltungseinheit (siehe nächsten Abschnitt für Details).
- Schließen Sie die Synchronisation und Motion-Capture-Triggern Ausgänge von kundenspezifischen Schaltkreis, um DAQ-Aufzeichnungsblock neben EMG Signalverbindungen.
- Split Motion-Capture-Auslöser und verbinden Sie es mit dem "Analog Input Start" Port auf dem EMG-Datenerfassungsgeräte sowie der Trigger-Verbindung auf dem Computer, der Motion-Capture-Geräte steuert.
Anmerkung: Die zeitliche Differenz zwischen dem Beginn der entsprechenden Datenerfassungsquellen für die beschriebene Ausrüstung (Bewegungserfassung und EMG) von 160-190 ms liegen. Diese zeitliche Differenz motiviert die Gestaltung der in diesem Protokoll beschriebenen Synchronisationsschaltung und wird wahrscheinlich durch die Software und die Hardware-Unterschiede zwischen diesen beiden Systemen verursacht. <li> Connect TMS auslösen Port auf kundenspezifische Schaltungseinheit dem Eingang Trigger für die TMS-Steuereinheit BNC.
- Stellen Sie die Netzwerkverbindung zwischen den VR und Motion-Capture-Computern mit Hersteller bereitgestellten Software und physikalischen Netzwerkverbindungen.
- Schließen VR Headset VR Computer und gewährleisten Funktionsfähigkeit bei allen Skripten / Programme, die virtuelle Umgebungen für die Teilnehmer anzuzeigen.
Abb. 1: Anschluss der gesamte Setup Dieses Layout beschreibt die allgemeine Konnektivität zwischen den Elementen unseres Systems. Die Synchronisationsschaltung ist an anderer Stelle im Text näher beschrieben. Die blaue Kurve entspricht dem Signal, das sowohl Motion-Capture-und EMG-Datenströme beginnt. Dieses Ereignis ist die Quelle der zeitlichen Verzögerung von bis zu 190 ms nach dem in diesem Protokoll beschriebenen Ausrüstung. Die rote Kurve entspricht der VR-initiierte synchronizatIonen-Ereignis, das gleichzeitig durch die Motion-Capture-und EMG-Systemen aufgezeichnet und anschließend zur zeitlichen Ausrichtung der jeweiligen Datenströme verwendet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
2. Allgemeine Informationen über Systemintegration und Synchronisierung
Hinweis: Die Synchronisation der einzelnen Datenerfassungssysteme in diesem Protokoll (Motion-Capture-und EMG) wird durch die Verwendung einer Ereignissignal, das die für alle Aufzeichnungsströme erreicht. Verwendung einer gemeinsamen Veranstaltung können alle Signale zeitlich neu ausgerichtet nach der Datenerfassung, um Echtzeit-Aufzeichnung Abweichungen zu minimieren (ab 190 ms unter Verwendung der Ausrüstung in diesem Protokoll) werden. In diesem Protokoll das gemeinsame Signal stammt aus dem VR-System als ein Parallelport-Signal. Das gemeinsame Signal mit einer Schaltung, die eine Synchronisierung des separaten Daten ermöglicht geroutetströmt durch die direkte Aufnahme mit EMG-Signale und durch gleichzeitiges Abschalten eines Motion-Capture-LED. Die Schaltung ist mit einfachen Werkzeugen und Techniken für den Bau von elektronischen Komponenten aufgebaut, ähnlich wie bei Schaltungen beschrieben an anderer Stelle 9.
- Design, Layout und Konstruktion der Synchronisationsschaltung
- Identifizieren Sie alle analogen TTL-basierten Auslösemechanismen auf Geräte-Steuereinheiten (zB TMS, Motion-Capture) und sich mit Auslösung Anforderungen wie TTL-Impuls Richtung (positiv / negativ) und Amplitude vertraut. Analog Auslösemechanismen besitzen oft gemeinsame "BNC" Koaxial-Steckverbindern, die Verbindungselemente einfach zu machen.
- Fügen Sie eine zusätzliche LED auf die Motion-Capture-System zur Signalsynchronisierung verwendet werden; Die Drähte der LED durch den Synchronisationsschaltkreis (Figur 3).
- Bestimmen Sie die elektrische Komponente Parameter (dh Widerstand, Kapazität) benötigt, um turn aus dem synchronisierenden LED für eine bestimmte Menge an Zeit. Finden Sie die Zeit, die die Synchronisierung LED der Schaltung wird durch die Gleichung eingeschaltet: t = 1,1 * R1 * C1. Diese Zeit wird empfohlen, weniger als die durchschnittliche Dauer eines experimentellen Bewegung. Beispielsweise benötigt die derzeit beschriebene Experiment ein Widerstand und Kondensator bewertet an ungefähr einem Megaohm und ein Mikrofarad auf.
- Verwenden Sie einen Lötkolben, elektrische Komponenten, um eine gedruckte "Protoyping" oder "Projekt" Platine nach dem in 3 gezeigten schema haften Legen diese Schaltung in einem handelsüblichen Kunststoff "Projekt" ein.; wird es wahrscheinlich notwendig sein, um Löcher in dieses Feld für die BNC-Anschlüsse bohren. Die Schaltung kann leicht durch 5 V USB-Energie von einem Desktop-Computer mit Strom versorgt werden; wird es notwendig sein, um ein USB-Kabel zu dekonstruieren, um die Strom- und Masseleitungen zu isolieren. Bypass-Kondensatoren kann auch erforderlich, um die Macht, die 555 zu regulierenChip (in 3 nicht gezeigt).
- Untersuchen Sie die Platine für jegliche ungewollte Lötbrücken zwischen den elektrischen Komponenten. Wenn gefunden wird, entfernen Lot mit einem Saug-Werkzeug oder Wärme das Lot und mechanisch die Brückenverbindung zu entfernen.
Abb. 2: Testablaufplan Dieses Flussdiagramm beschreibt die Anregung und Signalereignisse, die während einer typischen experimentellen Studie, dass TMS Stimulation umfasst auftreten. Parallel-Port-Codes, die während einer Probe auftreten, werden in den DB25 schematische Symbole (hellblau) gezeigt.
- Synchronization-Details
- Verwendung eines Flussdiagramms der Figur 2 ähnliche, zu bestimmen, wenn einzelne Teile der Ausrüstung sollte im Verlauf eines experimentellen Bewegung ausgelöst werden. Zum Beispiel können einige Geräte einzeln angesteuert werden, während andere gleichzeitig ausgelöst werden. Zu den Zeitpunkten, die Auslösung erfordern oder Signal (zB blau parallele Schnittstelle Symbole in Abbildung 2), zu bestimmen, welche parallelen Ports Signalleitungen zu verwenden und sie in der VR-System. Dies wird durch Senden von numerischen Werten an die parallele Schnittstelle an den angegebenen Zeitpunkten während Bewegungen, jede Zeile, die eine binäre Stelle durchgeführt. Für weitere Informationen über Parallel-Port basierte Signalisierung entnehmen Sie bitte der Diskussion verwiesen.
Abb. 3: Synchronisationsschaltung Diese schematische zeigt das Layout der benutzerdefinierten Synchronisationsschaltung. Das Standardausgangssignal des NAND-Gatters ist ein Hochspannungszustand; Dieser Spannungsausgang ist mit dem Gate eines Transistors durch die der sync LEDs Schaltung geroutet gesendet. Diese Default-Zustand macht der Stromkreis geschlossen, der die LED in einem beleuchteten Zustand hält. Bei Empfang eines sync Trigger Parallelport-Signal (rote Spur im Einschub), einen internen Zustand der 555-Gerät umgedreht Rendern der Ausgabe in einem hohen Zustand, Absperren der LED (blaue Kurve). Wenn dies geschieht, wird die Spannung an C1 (grüne Linie) aufbaut, um eine Spannung, die den internen Zustand 555 zurücksetzt, Reaktivieren der LED. Der parallele Port sync Triggersignal wird auch direkt an einen BNC-Stecker, der an dem TMS-Eingangstrigger Anschluss verbunden ist geleitet. Hinweis: Die Richtung dieser Trigger-Signal kann umgekehrt werden (von Positiv- zu Negativ gehen oder umgekehrt), je nach spezifischen Anforderungen an die Ausrüstung eines Ermittlers. Die Zugabe eines "Wechselrichter" Chip auf dieser Trigger-Ausgang würde diese Aufgabe leicht zu erreichen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
3. Versuchsverfahren
- Sicherheitsverfahren und Informed Consent
- Ensure, dass alle experimentellen Verfahren werden von einem Institutional Review Board (IRB) genehmigt. Erklären Sie, alle Verfahren, die Teilnehmer und erwerben informierte Einwilligung mit IRB-genehmigten Dokumentation.
- Nach der Übernahme informierte Zustimmung, führen Sie eine grundlegende TMS Sicherheits Screening mit den Teilnehmern, um sicherzustellen, dass sie nicht über Tinnitus, eine Familiengeschichte von Epilepsie oder Anfälle, oder andere Bedingungen mit erhöhten Gefahren der Beschlagnahme.
- Während TMS Stimulation, streng erfordern den Einsatz von Schutzstöpsel Gehörschäden vorzubeugen.
- Elektromyographie Sammlung
- In Abhängigkeit von den wissenschaftlichen Ziele der Studie eines Lesers, bestimmen, von welchem Muskeln Arm auf EMG-Signale aufzeichnen. Für die in diesem Protokoll beschriebenen Studie, an der Schulter erzeugten Drehmomente und Ellenbogen während der Bewegung untersucht. So verzeichnete EMG-Signale wurden von den wichtigsten oberflächlichen Muskeln, die auf diesen beiden Gelenke wirken, wie die Deltamuskel, Brustmuskel, Bizeps, Trizeps und brachioradialis.
- Nehmen Sie alle erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen EMG Ausrüstung einschließlich Verstärker, Vorverstärker, Sensorkabel und Sensorfelder nach den Angaben des Herstellers durch den Anschluss passenden Stecker.
- Bereiten Sie jede Elektrode Website durch leichtes Reinigen mit einem Alkoholtupfer, um jegliche übermäßiger Haar mit einem Rasiermesser und durch Anlegen einer milden Scheuer Gel. Die richtige Vorbereitung des Standorts wird eine konsistente und niedrige Elektrode-zu-Haut-Impedanzwerte (<10 kOhm) und hohem Signal-Rausch-Verhältnis von aufgezeichneten EMG-Signale.
- Haben Probanden durchführen isometrische Kontraktionen entwickelt, um einzelne Muskeln von Interesse auf der Grundlage akzeptierter anatomischen und biomechanischen Beschreibungen 10 zu isolieren. Zum Beispiel, um den Bizeps zu isolieren, bitten Sie den Teilnehmer, eine auferlegte Erweiterung des Ellenbogens zu widerstehen.
- Nachdem Themen durchführen Muskelkontraktionen zu isolieren, anzubringen Differenz bipolare EMG-Elektroden über die dickste, Zentral portiauf, oder "Bauch", jeder Muskel an Akzeptanzstellen 11. Dies stellt sicher, Deckung einer maximalen Anzahl von Muskelfasern und minimiert die "Übersprechen" zwischen benachbarten Muskeln. Achten Sie darauf, um den bipolaren Elektroden längsten Achsen, entlang den Muskeln auszurichten, parallel zu den Fasern.
- Befestigen Sie das EMG Masseelektrode nach Gerätespezifikationen (zB der Haut über der C7 Wirbel).
- Nehmen Sie verstärkt die EMG-Signale über DAQ-Geräte von einem kundenspezifischen EDV-Skript gesteuert. Das Skript im aktuellen Protokoll verwendet wird als ergänzende Datei angehängt.
- Passen Gewinne aufgezeichneten Signale auf den gewünschten Pegel durch Bewegen Zifferblätter auf dem EMG-Vorverstärker angewendet. Vermeiden Verstärkungswerte, die aufgezeichneten Signale zu veranlassen, den Eingangsbereich des Kontrollgeräts (typischerweise 5 V) überschreiten. Gemeinsame EMG Verstärkungswerte liegen zwischen 1.000-4.000.
- Führen Sie ähnliche isometrische Kontraktionen zu den in Schritt 3.2.4 durchgeführt und visuell überprüfen EMG Signals, um sicherzustellen, dass sie von hoher Qualität (dh hohe Signal-Rausch-Verhältnis) sind. Positionieren Sie Elektroden und ändern Sie die Signalverstärkung, wenn nötig.
- Motion Capture System Preparation
- Kalibrieren Sie Motion-Tracking-Kameras mit Anbieter gelieferten Anweisungen und Ausrüstung entsprechend den Anweisungen des Herstellers.
- Mit Klebeband und andere Verpackungsmaterialien, befestigen aktive LED Sensoren an knöchernen Sehenswürdigkeiten in der Nähe der Gelenke des Arms und anderen anatomischen Sehenswürdigkeiten in der Konstruktion von biomechanische Modelle verwendet: die Phalanx des Zeigefingers, radial und ulnar Griffelfortsätzen am Handgelenk , Olecranon an den Ellenbogen, coracoideus und Schulterdach Prozesse der Schulter, Sternoklavikulargelenk Kerbe, Schwertfortsatz und Dornfortsatz des C7. Befestigen Sie eine weitere LED auf die VR-Headset, um die Sicht in der virtuellen Umgebung.
- Verbinden jeder LED mit einem Kabelbaum, der mit dem drahtlosen Treibereinheit angebracht ist. Schalten Sie Fahrer unes und sorgen für eine angemessene Ausleuchtung aller LEDs.
- Positionieren Sie die Synchronisierung LED in einer günstigen Lage vom Thema, aber im klaren Blick auf die Kameras.
- Transkranielle Magnetstimulation Stereotaktische Lokalisierung
- Kalibrieren Hardware und Software für TMS Anmeldung 12 ausgebildet, um eine genaue Platzierung Spule ermöglichen. Dies beinhaltet in der Regel Co-Registrierung TMS-Spulen mit anatomischen Merkmalen wie dem Nasion, präaurikulären Punkte und Nasenspitze. Stereotaktische Registrierung zwischen dem Teilnehmer und dem Stimulationsspule ist integraler Bestandteil konsistente Stimulation Lokalisierung.
- MEP Hot-spot Lokalisierung und MEP Threshold Pprocedures
- Führen Sie so genannte "Hot-Spot" Techniken zur TMS empfindlichen Bereiche der Hirnrinde, die die größte Amplitude Europaabgeordneten mit dem niedrigsten Schwellenwert nach Stimulation 8,13,14 produzieren zu lokalisieren. Transkranielle Magnetstimulation zur Untersuchung von Motorsystemen typischerweisebeinhaltet die Förderung einer kortikalen Bereich, der Bewegung in einem bestimmten Körperteil steuert (zB den Arm und Hand) 15.
- Notieren Sie den Speicherort einer idealen Stimulationsstellen auf der Kopfhaut, die Teilnehmer mit dem kalibrierten stereotaktischen Registrierung Ausrüstung und zugehörige Software. Nach jedem Standort wird mit der Software aufgezeichnet ist, sicherzustellen, ihre Genauigkeit durch die Verlagerung der Stelle wieder anregend, auf der Suche nach ähnlichen MEP-Antworten.
- Behavioral Aufgabe in Virtual Reality
- Gestaltung der Parameter des Verhaltens Task (zB Greifbewegungen) in den Test eingesetzt werden. In der gegenwärtigen Studie ist die Aufgabe, auf virtuelle Ziele sequentiell in unterschiedlichen räumlichen Orten platziert erreichen. Die Größe der Ziele definiert die Genauigkeit, mit der die Teilnehmer zu bewegen. Gestalten Sie die Bewegungen, so dass unterschiedliche Richtungen und Größen von Gelenkmomente hervorgerufen, wie die Teilnehmer zu erreichen für die Ziele.
- Setup der VR-Umgebung, die FührungenThemen durch die Verhaltensaufgabe mit kommerziellen VR-Software, die mit dem Headset und Motion-Tracking-System kompatibel ist nach dem Protokoll des Herstellers. Machen Sie sich mit erforderlichen Rechenressourcen des Software-Pakets und Programmiersprache Anforderungen vertraut. VR gemeinsamen Softwarepakete haben die Fähigkeit, mit Sprachen wie Python, C ++, C # und andere programmiert werden. Zusätzlich Programm Analogausgänge über die parallele Schnittstelle für die Synchronisation und die Kennzeichnung von bestimmten Ereignissen von Interesse (Abbildung 2). In dem aktuellen Experiment gibt der VR Softwareereignisse zu Beginn jeder Wiederholung der Aufgabe und in Zeiten gewünschten TMS Stimulation.
- Verbinden Sie den VR-Ausgabe an die Synchronisationsschaltung (Abbildung 3) und / oder die anderen Geräte, um mit Leitungen mit entsprechenden Verbindungs synchronisiert werden.
- Weisen Sie Themen, um die VR Verhaltens Aufgabe durchzuführen. In der aktuellen Studie war die VR-Umgebungpräsentiert mit einem Head-Mounted Display, in dem die Teilnehmer angesehen Arrays von sphärischen Ziele. Verwenden des VR-Software-Programm spezifische Bewegungsabläufe durch Änderung der Erscheinung des Targets (Farbe, Position, etc.) und machen die Teilnehmer mit diesen Aktionen. Darüber hinaus informieren die Teilnehmer von irgendwelchen anderen gewünschten Bewegungseinschränkungen. Zum Beispiel wurden die Teilnehmer in der aktuellen Studie aufgefordert, alle Armsegmente innerhalb einer vertikalen Ebene der Bewegung zu halten, während griff nach Zielen.
- Sobald die Teilnehmer an die experimentellen Bewegungen Rekord EMG und Motion-Capture-Daten gewöhnt und Synchronisationssignale mit benutzerdefinierten Skripts oder vom Hersteller bereitgestellte Software-Pakete. Einstellen der Abtastrate des jeweiligen Datenerfassungssystem auf die gewünschten Werte; zusätzlich mit vertraut machen und passen alle herstellerspezifischen Parameter wie Bewegungsverfolgung LED-Intensität.
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Representative Results
Synchronisierung der zahlreichen Datenströmen in diesem Setup ermöglicht es, die Kinematik, kontinuierlichen Muskelaktivität (EMG) und Momentanneuromuskuläre Aktivität (MdEP), die bei Bewegungen der oberen Gliedmaßen auftreten, aufzuzeichnen. Wiederholten Versuchen einer gegebenen Bewegung müssen MEP Antwort-Profile über die gesamte Bewegung rekonstruieren, Fig. 4 zeigt Daten aus einem gesammelten Subjekt. 4A zeigt ein Beispiel für diese Datenströme in einem einzigen Versuch mit den entsprechenden Synchronisationssignale und Ereignisse. Zeitliche Ausrichtung der Signale in Bezug auf das Synchronisationsereignis ist eine einfache Post-hoc-Verfahren unter Verwendung von Signal-Analyse-Software (die Signale werden mit Hilfe des Synchronisationsereignisses als eine gemeinsame zeitliche Anker "verschoben" in der Zeit). Signale können dann zeit normalisiert um die Dauer jeder Bewegung Studie sein. Ohne Synchronisation können die EMG und Motion-Capture-Datenströme eine zeitliche Diskrepanz als gr habenessen, wie 160 bis 190 ms. Jedoch kann durch Verwendung Synchronisierung zusätzlich zu den weithin verwendeten TTL-Signalisierung Benutzer sollte erwarten, zeitliche Abweichungen zwischen Datenströmen an die Grenze der Abtastfrequenzen ihrer Signale (ungefähr eine ms in diesem Beispiel) zu minimieren. 4B zeigt mittlere Winkel Kinematik und Dynamik über 24 Studien für eine einzige Bewegung, die lange Bizeps EMG Profil aus Studien ohne TMS in den gleichen Bewegungen und die entsprechenden rekonstruierten MEP Profile Studien mit Einzelimpuls-TMS während der Bewegung auf die gleichen Ziele.
Abb. 4: Alignment der EMG und Bewegungsaufnahme (A) darstellenden Signale, die während einer experimentellen Studie aufgezeichnet werden, sind in der linken Spalte der Tabellen angezeigt. Die blauen und roten Kreise entsprechen dem gleichen VR generierte Synchronisationsereignis durch zwei separat aufgezeichnete Teile der Ausrüstung (durch Teilung schwarze Linie dargestellt). Diese Zeitpunkte und die jeweiligen Daten werden später zeitlich mit kundenspezifischer Software ausgerichtet. Die Differenz zwischen diesen zwei Zeitpunkten kann nach oben von 190 msec mit beim Einsatz der in diesem Protokoll beschriebene Gerät ist; andere Forscher mit verschiedenen Geräten unterschiedliche Verzögerungen. (B) Nach der zeitlichen Ausrichtung gemittelten Daten erstellt werden, um die physiologische, kinematischen und dynamischen Eigenschaften der Bewegung zu beschreiben. Diese Daten stellen 24 Studien mit der gleichen Bewegung; die Bars auf dem Bizeps MdEP Diagramm und die schraffierten Flächen auf anderen Graphen stellen die Standardabweichung. Diese Daten können anschließend verwendet werden, um in Bezug auf die Muskelaktivität und Bewegungs Kinematik und Dynamik beschreiben Potential abfallMotorSteuerSignale werden.
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Discussion
Das Ziel dieses Artikels ist es, ein Verfahren zur Einarbeitung VR in die Untersuchung der menschlichen Bewegung und ein Verfahren zum Synchronisieren von verschiedenen Datenströmen beschreiben. Virtual Reality wird die Fähigkeiten von Forschern, die auf realen Bewegungsszenarien im Labor neu zu versuchen, zu erweitern. Die Kombination mit anderen neuromuskulären VR Aufzeichnung und Konjunktur Methoden bildet eine leistungsstarke Suite von Tools zur umfassenden Studium der menschlichen Motorsteuerungsmechanismen. Die resultierenden mehrdimensionalen Datensätzen während der sorgfältig gestalteten Experimenten erhalten kann unser Verständnis der neuronalen Steuerung der Bewegung zu vertiefen.
Eines der wichtigsten Merkmale dieses Systems ist die Fähigkeit, elektrophysiologischen und Motion-Capture-Datenströme mit gemeinsamen VR-generierten Ereignisse zu synchronisieren. Die in diesem Protokoll beschriebenen benutzerdefinierten Schaltung dient als flexible, kosteneffektive Stiftung, die geändert werden kann, um die einzigartigen Anforderungen der anderen exp erfüllenerimental Paradigmen und Geräte, ähnlich wie bei Lösungen in anderen Bereichen 9. Der gemeinsame Synchronisationsereignis ist eine parallele Ausgabe-Befehl, der von dem Computer, die unsere VR-Software arbeitet, stammt. Die Vorteile einer Standard-Parallelschnitt sind seine Einfachheit, Geschwindigkeit und Flexibilität. In einer parallelen Schnittstelle gibt es acht unabhängige Datenleitungen, die jeweils eine Binärziffer von 2 0 bis 2 7; wobei die Summe dieser Ziffern können eine Reihe von Zahlen von 0 bis 255. Jeder der jeweiligen Datenleitungen können als separate und gleichzeitige Triggersignale mit zahlreichen Systemschnittstelle verwendet werden, entsprechen. Diese Triggersignale sind in der Regel einfache Rechteckspannungssignale, die allgemein als TTL-Signale oder Impulse bezeichnet.
Bei einer Bewegung Versuch, das gemeinsame Synchronisationsereignis initiiert nach Standort eines Teilnehmers in einer virtuellen Umgebung auf der Basis verfolgt über eine Infrarot-LED-basierte Motion-Capture-System. Das SynchronisationsEreignissignal (TTL) von unserer VR-Software ist an die individuelle Schaltung, die ausgelegt ist, die VR-Synchronisationsereignis gleichzeitig zu senden, um unsere EMG Daten und Motion-Capture-Streams (Abbildung 3) geleitet. Die EMG-System zeichnet die TTL-Impuls mit laufenden Muskelaktivität. Die VR-Signal wird auch durch die aktive Teil der Schaltung, die die Stromzufuhr zu einer LED von der Motion-Capture-System steuert weitergeleitet. Bei Empfang des TTL-Impuls wird der umgeleitete LED für eine kurze Zeitdauer eingeschaltet. Diese Veranstaltung wird von der Motion-Capture-System erfasst und zeitlich synchron mit dem TTL-Impuls durch die EMG-System aufgezeichnet. Dieses Ereignis kann anschließend verwendet werden, um die Signale für Analysen auszurichten.
Der aktive Teil der Schaltung (schematisch in 3 gezeigt) wird in erster Linie von einer spezifischen integrierten Schaltung (IC) oder "Chip", allgemein als ein "555-Timer-Schaltung" 16 bekannt ist. Der Ausgang des 555Zeitschaltung (in der Regel eine niedrige Spannung) tritt in ein NAND (negiert) Gate zusammen mit einer konstanten Spannung von der USB-Energie zur Verfügung gestellt. Ein NAND-Gatter ist ein elektrisches Logik-Komponente, die einen niedrigen Wert (dh 0 V), wenn die beiden Eingänge sind hoch (zB Schienenspannung) ausgibt. Der Einschub in Abbildung 3 beschreibt die Bedienung unserer Schaltung bei Empfang eines Synchronisationsereignissignal. Die Dauer, die die Schaltung schaltet die LED hängt von den für R1 und C1 verwendeten Werte, und wird durch die Gleichung: t = 1,1 · R1 · C1. Die derzeit beschriebene Experiment erforderlich Widerstands- und Kapazitätswerte einem Megaohm und ein Mikrofarad bzw. die Synchronisation Licht quiescence kürzer als die Dauer einer typischen Bewegung (ungefähr eine Sekunde für diesen Entwurf) zu erzeugen.
Methode des aktuellen Protokolls für die Synchronisierung hat zahlreiche Vorteile gegenüber kommerziell verfügbaren Optionen. Die Schaltungskomponenten und notwendigen Werkzeuge für seine einssembly sind leicht zugänglich an elektrischen Komponentenlieferanten für die minimalen Kosten 9. Zusätzlich ist eine einfache Hardware-basierte Lösung für die Synchronisation ermöglicht Experimentatoren leichter zu debuggen Probleme, die bei Versuchssitzungen entstehen können. Schließlich wird durch die Verwendung ziemlich allgegenwärtig TTL-Signalisierung, kann man sich leicht an neue experimentelle Entwürfe, die unterschiedliche Methoden und Geräte (zB EEG) nutzen, anzupassen. Ein möglicher Nachteil des in diesem Protokoll beschriebenen Multifunktionssystem ist die Komplexität der Versuchsaufbauten mit einer Vielzahl von Datenerfassungssystemen. Dies kann in langen Versuchssitzungen Teilnehmer Müdigkeit, und mehrere Möglichkeiten für Systemausfälle zur Folge haben. Experimentatoren können Probleme durch die Gestaltung prägnant experimentellen Paradigmen, die auf sehr spezifische neuromuskuläre Phänomene untersuchen wollen minimieren.
Die in diesem Protokoll ausgerichtet, um verallgemeinerbare gu bieten implementiert Kreis und die allgemeine Synchronisationsverfahrenidelines zum Durchführen von biomechanischen Experimenten mit mehreren, gleichzeitig aufgezeichneten Datenströmen. Das Protokoll beschreibt Verfahren, um Datenströme von allen Geräten mit analogen Eingängen oder Trigger oder LED-Signale zu synchronisieren. Allerdings werden die Ermittler mit passiven Bewegungsverfolgungssystemen ohne LEDs, wahrscheinlich, um die derzeit beschriebene Lösung zu verändern. Systeme mit passiven Bewegungserfassung und andere Aufnahme- und anregende Geräte, die digital angesteuert wird nicht brauchen, um über die Synchronisationsschaltung verlassen. Stattdessen würden solche Systeme auf kundenspezifische Software-basierte Lösungen verlassen können, deren Gestaltung aus dem Beispiel des gegenwärtigen Systems abgeleitet werden. Somit stellt die Protokoll generalizable Prinzipien der Entwicklung von Lösungen für andere Szenarien unterstützen.
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Acknowledgments
Diese Arbeit wurde vom NIH P20 GM109098, NSF und WVU ADVANCE Patenschaftsprogramm (VG) und WVU Abteilungs Start-up-Fonds unterstützt.
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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