הגדרה רב-תכליתית ללימוד אדם בקרת מנוע באמצעות גירוי מגנטי Transcranial, Electromyography, לכידת תנועה, ומציאות וירטואלית

Abstract

המחקר של שליטה עצבית-שרירית של תנועה בבני האדם נעשה עם מספר רב של טכנולוגיות. שיטות לא פולשניות לחקירת תפקוד עצבית-שרירית כוללות גירוי מגנטי transcranial, electromyography, ולכידת תנועה תלת-ממדית. כניסתו של פתרונות מציאות וירטואלית זמינים וחסכוניים בקלות הרחיבה את היכולות של חוקרים ביצירה מחדש של סביבות ותנועות "בעולם האמיתי" בסביבת מעבדה. ניתוח תנועת נטורליסטי לא רק לגייס הבנה טובה יותר של שליטה מוטורית באנשים בריאים, אלא גם לאפשר העיצוב של ניסויים ואסטרטגיות שיקום כי יעד ליקויים ספציפיים מוטוריים (למשל שבץ). השימוש בשילוב של כלים אלה יוביל להבנה יותר ויותר עמוקה יותר של מנגנונים עצביים של שליטה מוטורית. דרישת מפתח כאשר משלבים מערכות רכישת נתונים אלה היא התכתבות זמנית עדינה בין זרמי נתונים השונים. Tהפרוטוקול שלו מתאר קישוריות של מערכת רב תכליתי הכוללת, איתות intersystem, וסנכרון הזמני של הנתונים שנרשמו. סנכרון של מערכות הרכיב מושגת בעיקר באמצעות השימוש במעגל להתאמה אישית, בקלות שנעשה עם את רכיבי המדף ומיומנויות הרכבה אלקטרוניקה מינימליות.

Introduction

מציאות וירטואלית (VR) הופכת במהירות כלי מחקר נגיש לשימוש במספר תחומים, כולל המחקר של תנועה אנושית. המחקר של תנועת גפיים העליונה נהנה במיוחד על ידי שילוב VR. מציאות וירטואלית מאפשרת ההתאמה האישית המהירה של פרמטרים ניסיוניים שנועדו לחקור תכונות kinematic ודינמיות מסוימות של שליטת תנועת זרוע. פרמטרים אלה יכולים להיות מותאמים באופן אינדיבידואלי לכל נושא. לדוגמא, את מיקומם של יעדים וירטואליים ניתן לשנותם על מנת להבטיח תנוחת זרוע ראשונית זהה על פני נושאים. מציאות וירטואלית מאפשרת גם המניפולציה של משוב חזותי במהלך ניסויים, שהוא כלי רב ערך במחקר visuomotor ^{1 - 5.}

השימוש בסביבות VR מציאותיים עם כלים ביו-מכאניים אחרים גם יאפשר תרחישי תנועה הנטורליסטית שבלבחון דפוסי תנועה. הסדר זה הופך יותר ויותר חשוב ללימוד ותרגול של שיקום לאחר ^6,7 מחלות ופציעות. תנועות חיקוי נטורליסטי וסביבות (למשל ביצוע תנועות במטבח וירטואלי) בסביבה קלינית יאפשרו מומחי שיקום לתאר באופן מדויק יותר ליקויים של פרט בהקשר של עולם אמיתי. תיאור ירידת ערך מאוד אישי יאפשר לאסטרטגיות טיפול ממוקדות יותר, ואפשרות להגדיל את היעילות ולהפחית את משך הזמן של שיקום.

שילוב VR עם כלים אחרים כגון גירוי מגנטי transcranial (TMS), electromyography משטח (EMG), ולכיד תנועת גוף מלאה, יוצר פלטפורמה חזקה מאוד וגמישה ללימוד השליטה העצבית-שרירית של תנועה בבני אדם. גירוי מגנטי Transcranial הוא שיטה לא פולשנית חזקה של מדידת הרגישות ושלמות פונקציונלית של מסלולים יורדים מנוע (למשל בדרכי corticospinal) דרך respons EMGes כגון מנוע פוטנציאלים מעורר (חברי הפרלמנט האירופי) ^8. מערכות ללכוד תנועה תלת-ממדית מודרניות גם יאפשרו לחוקרים ללמוד פעילות עצבית-שרירית יחד עם קינמטיקה תנועה וכתוצאה מכך ודינמיקה. זה מאפשר יצירת מודלים מפורטים מאוד של מערכת השלד והשרירים, כמו גם הבדיקה של השערות לגבי המבנה והתפקוד של בקרים עצביים. מחקרים אלה ירחיבו במערכת הסנסורית האנושית הידע המדעי שלנו ולהוביל לשיפור בטיפול בשרירים ושלד והפרעות נוירולוגיות.

עם זאת, בעיה עיקרית עם מערכות רב תכליתיים הוא הסנכרון של זרמים נרשמו בנפרד נתונים (לכידת תנועה למשל, EMG, וכו '). המטרה של פרוטוקול זה היא לתאר הסדר להכללה של מערכות זמינות מסחרי נפוצות להקליט בו זמנית מדידות ביו-מכאניות ופיזיולוגיות בזמן התנועה. חוקרים אחרים תוך שימוש בציוד מיצרנים שונים עשויים להיות לשנות אלמנטים של פרוטוקול זה כדי להתאים לצרכימים הספציפיים שלהם. עם זאת, עקרונות כלליים מפרוטוקול זה עדיין צריכים להיות ישימים.

Protocol

כל המשתתפים מעורבים בניסויים עוברים תהליכי הסכמה מדעת שאושרו על ידי אוניברסיטת המערב וירג'יניה Institutional Review Board (IRB).

1. מאפיינים כללי של מערכת, עיצוב, וכללית ניסויי משימה

הערה: ההתקנה המלאה מורכבת מהמרכיבים העיקריים הבאים: ציוד EMG וקשור רכישת ציוד דיגיטלי (DAQ); מערכת לכידת תנועה (פרוטוקול זה משלב מערכת LED פעילה); יחידת TMS עם סליל וציוד לוקליזציה stereotaxic דמות של שמונה; אוזניות VR ומחשב ותוכנה הקשורים; ומנהג סנכרון מעגל. איור 1 מתאר באופן סכמטי את הקישוריות בין מרכיבי הפרוטוקול.

1. חיבור של רכיבי מערכת
   1. חבר EMG קדם מגבר למגבר עיקרי.
   2. חבר פלט של מגבר EMG לDAQ הקלטה לחסום קלט ציוד באמצעות BNC או connec דומהמשא.
   3. חבר את ציוד הקלטת DAQ למחשב ייעודי שיבצע תסריט רכישת נתונים (קובץ נוסף).
   4. חבר פלט מקביל מחשב שליטת VR ליחידת מעגל מותאם אישית (ראה הסעיף הבא לפרטים נוספים).
   5. חבר סנכרון ולכידת תנועה מפעילה יציאות ממעגל מותאם אישית לבלוק הקלטת DAQ לצד חיבורי אות EMG.
   6. הדק לכידת תנועת פיצול ולחבר אותו ליציאה "קלט אנלוגי התחל" על ציוד EMG DAQ כמו גם חיבור ההדק במחשב ששולט ציוד לכידת תנועה.
      הערה: ההבדל הזמני בין ראשיתה של זרמי נתונים רכישת בהתאמה לציוד שתואר (לכידת תנועה וEMG) יכול לנוע 160-190 אלפיות שני. הבדל זמני זה הניע את העיצוב של מעגל הסנכרון המתואר בפרוטוקול זה, והוא צפוי שנגרם על ידי תוכנה וחומרת ההבדלים בין שתי המערכות הללו.
   <li> Connect TMS לעורר יציאה ביחידת מעגל מותאם אישית לBNC קלט הדק על יחידת בקרת TMS.
   7. להקים קישוריות רשת בין מחשבי VR ולכידת תנועה באמצעות תוכנה המסופק על ספק וחיבורי רשת פיזיים.
   8. חבר אוזניות למחשב VR VR ולהבטיח אפשרות לשוב ולבצע עם כל תסריטים / תוכניות המציגות סביבות וירטואליות למשתתפים.

איור 1:. קישוריות של כל הגדרת פריסה זה מתאר את הקישוריות הכללית בין האלמנטים של המערכת שלנו. מעגל הסנכרון מתואר במקומות אחרים בטקסט בפירוט רב יותר. העקבות הכחולות מתאימה לאות שמתחילה שתי לכידת התנועה וזרמי נתונים EMG. אירוע זה הוא המקור לעיכוב הזמני של עד 190 אלפיות שניים באמצעות הציוד שתואר בפרוטוקול זה. העקבות האדומות מתאימה לsynchronizat ביוזמת VRאירוע יון שנרשם במקביל על ידי לכידת התנועה ומערכות EMG ולאחר מכן משמש ליישור זמני של זרמי נתונים המתאימים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. פרטים כלליים של אינטגרציה וסנכרון

הערה: סנכרון של המערכות נפרדות רכישת נתונים בפרוטוקול זה (לכידת תנועה וEMG) נעשה באמצעות השימוש באות אירוע שהוא משותף לכל זרמי ההקלטה. שימוש באירוע משותף, כל האותות ניתן לכיוון באופן זמני לאחר איסוף נתונים כדי למזער פערי הקלטה בזמן אמת (כלפי מעלה של 190 אלפיות שניים באמצעות הציוד בפרוטוקול זה). בפרוטוקול זה, האות המשותפת מקורו במערכת VR כאות יציאת מקבילית. האות הנפוצה מנותבת למעגל המאפשר סנכרון של נתונים נפרדיםהנחלים באמצעות הקלטה ישירה עם אותות EMG ועל ידי בו זמנית כיבוי לכידת תנועת LED. המעגל נבנה באמצעות כלים וטכניקות בסיסיים לבניית רכיבים אלקטרוניים, דומה למעגלים שתואר במקום אחר ^9.

1. עיצוב, פריסה, ובנייה של סנכרון מעגל
   1. לזהות כל מנגנונים אנלוגיים מפעילה מבוסס TTL ביחידות בקרת ציוד (למשל TMS, לכידת תנועה) ולהכיר בדרישות מפעילה כגון כיוון דופק TTL (חיוביים / שלילי) ומשרעת. מנגנונים אנלוגיים מפעילה לעתים קרובות יש מחברים קואקסיאליים נפוצים "BNC" שהופכים את רכיבי חיבור פשוטים.
   2. להוסיף נוסף LED למערכת לכידת התנועה לשמש לסנכרון אות; מסלול החוטים של LED במעגל הסנכרון (איור 3).
   3. לקבוע את הפרמטרים רכיב החשמלי (כלומר התנגדות, קיבוליות) זקוק לטורn את הסנכרון LED עבור סכום מסוים של זמן. מצא את כמות הזמן שהוביל את הסנכרון של המעגל כבוי על ידי המשוואה: t = 1.1 * R1 * C1. הפעם הוא הציע להיות פחות ממשך החיים הממוצע של תנועה ניסיונית. לדוגמא, הניסוי המתואר כיום נדרש נגד וקבל מדורג בכ אחד megaohm וmicrofarad אחד, בהתאמה.
   4. השתמש במלחם לדבוק רכיבים חשמליים ל" protoyping "מודפס או" פרויקט "מעגלים הבאים סכמטי מוצג באיור 3 הקף במעגל זה בפלסטיק זמין בדרך כלל תיבה" פרויקט ".; סביר להניח שיהיה צורך לקדוח חורים בתיבה זו לחברי BNC. המעגל בקלות יכול להיות מופעל על ידי 5 V כוח USB ממחשב שולחני; יהיה צורך לפרק את כבל ה- USB לבודד את חוטי החשמל והקרקע. ייתכן גם שיהיו צורך קבלי מעקף להסדיר את הכח 555שבב (לא מוצג באיור 3).
   5. בדוק את לוח המעגל לכל גשרי הלחמה לא מכוון בין רכיבים חשמליים. אם מצא, להסיר הלחמה עם כלי יניקה או לחמם את ההלחמה ומכאנית להסיר את חיבור הגישור.

איור 2:. תרשים זרימה תרשים זרימה משפט זה מתאר את אירועי גירוי ואות המתרחשים במהלך משפט ניסיוני טיפוסי הכולל גירוי TMS. קודי יציאת מקבילית המתרחשים בכל רחבי משפט מוצגים בסימנים סכמטי DB25 (תכלת).

2. פרטי סנכרון
   1. באמצעות תרשים זרימה דומה לאיור 2, לקבוע מתי יצירות בודדות של ציוד צריכה להיות מופעלות במהלך תנועה ניסיונית. לדוגמא, כמה ציוד עשוי להיות מופעל בנפרד, ואילו אחרים עשויים להיות מופעלים בו זמנית. בנקודות זמן שדורשים מפעילות או איתות (למשל סימנים יציאת מקבילית כחולים באיור 2), לקבוע אילו יציאות מקבילות לאותת קווים לשימוש ולשלב אותם לתוך מערכת VR. המטרה זו מושגת על ידי שליחת ערכים מספריים ליציאת מקבילית בזמנים שצוינו במהלך תנועות, כל שורה מייצגת ספרה בינארית. לפרטים נוספים על איתות יציאת מקבילית מבוססת, עיינו בדיון.

איור 3:. סנכרון מעגל סכמטי זה מציג את הפריסה של מעגל הסנכרון המותאם אישית שלנו. פלט ברירת המחדל של שער NAND הוא מדינת מתח גבוה; פלט המתח הזה נשלח לשער של טרנזיסטור שדרכו במעגל של נורית הסנכרון מנותב. מצב ברירת מחדל זה הופך את המעגל סגור, ששומר על LED במצב מואר. עם קבלת trigge סנכרוןr אות מקבילה נמל (עקבות אדומות בהבלעה), מצב פנימי של המכשיר 555 הוא התהפך טיוח התפוקה למצב גבוה, כיבוי הנורית (עקבות כחולות). כאשר זה קורה, המתח על C1 (זכר ירוק) מצטבר למתח שמאפס את המצב הפנימי של 555, הפעלה מחדש של LED. אות ההדק מסונכרנת יציאת המקבילית גם מנותבת ישירות למחבר BNC שמחובר ליציאת הדק קלט TMS. הערה: הכיוון של אות הדק זה עשוי להיות הפוך (מחיובי ושלילי להולך או להיפך), בהתאם לדרישות הציוד הספציפיות של חוקר. התוספת של שבב "מהפך" בפלט הדק זה היה בקלות לבצע משימה זו. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3. פרוצדורות

1. נהלי בטיחות והסכמה מדעת
   1. Ensuמחדש שנהלים כל הניסוי אושרו על ידי מועצה לביקורת מוסדית (IRB). להסביר את כל ההליכים למשתתפים ולרכוש הסכמה עם IRB אושר תיעוד.
   2. לאחר שרכש הסכמה מדעת, לנהל הקרנת בטיחות בסיסית TMS עם משתתפים על מנת להבטיח שאין להם טינטון, היסטוריה של אפילפסיה או התקפים, או תנאים אחרים עם סיכונים גבוהים של תפיסת משפחה.
   3. במהלך גירוי TMS, דורש הקפדה על השימוש באטמי אוזני מגן למניעת נזקי שמיעה.
2. Electromyography אוסף
   1. בהתאם למטרות המדעיות של המחקר של קורא, לקבוע שממנו זרוע שרירים להקליט אותות EMG. לצורך המחקר המתואר בפרוטוקול זה, מגבילים שנוצרו בכתף ​​ומרפק בתנועה נחקרו. לפיכך, אותות EMG שנרשמו היו מהשרירים השטחיים העיקריים הפועלים על שני מפרקים אלה, כגון deltoid, pectoralis, שרירי, זרוע אחורית, וbrachioradialis.
   2. הפוך את כל חיבורי החשמל הנדרשים בין ציוד EMG השונים, כוללים מגברים, preamplifiers, חוטי חיישן, ורפידות חיישן על פי המפרט של היצרן על ידי חיבור מחברים תואמים.
   3. הכן כל אתר האלקטרודה על ידי אורח קל לנקות אותו עם ספוגית אלכוהול, הסרת שיער מוגזם עם סכין, ועל ידי יישום ג'ל שוחק קל. הכנת אתר נכונה תבטיח ערכי עכבה עקביים ונמוכים האלקטרודה לעור (<10 kOhms) ויחס אות לרעש גבוה של אותות EMG נרשמו.
   4. יש נושאים לבצע התכווצויות איזומטרי נועדו לבודד שרירים בודדים של עניין המבוסס על תיאורים אנטומיים וביו-מכאניים מקובלים ^10. לדוגמה, כדי לבודד את שריר הזרוע, לשאול המשתתף להתנגד הארכה כפויה של המרפק.
   5. לאחר שנבדקים לבצע התכווצויות בידוד שרירים, להדביק אלקטרודות EMG דו קוטביות ההפרש מעל Porti העבה, המרכזיב, או "בטן", של כל שריר במקומות מקובלים ^11. זה מבטיח כיסוי של מספר מקסימאלי של סיבי שריר וממזער "crosstalk" בין שרירים השכנים. הקפד ליישר הצירים הארוכים ביותר "אלקטרודות דו קוטביות לאורך השרירים, במקביל לסיבים.
   6. להדביק את האלקטרודה EMG קרקע על פי מפרט ציוד (למשל העור מעל החוליה C7).
   7. שיא מוגבר אותות EMG באמצעות ציוד DAQ נשלט על ידי תסריט מחשב מותאם אישית. התסריט השתמש בפרוטוקול הנוכחי מצורף כקובץ נלווה.
   8. התאם רווחים להחיל אותות נרשמו לרמה רצויה על ידי העברת מחייג על מגבר קדם EMG. הימנע ערכי רווח שגורמים נרשמו אותות יעלו על טווח הכניסה של ציוד ההקלטה (בדרך כלל 5V). ערכי רווח EMG נפוצים הם בין 1,000-4,000.
   9. בצע התכווצויות איזומטרי דומות לאלה שבוצעו בשלב 3.2.4 ובדוק סינייה EMGls כדי להבטיח שהם באיכות גבוהה (יחס אות לרעש גבוה כלומר). מיקום מחדש אלקטרודות ולשנות את רווח האות במידת צורך.
3. הכנת מערכת לכידת תנועה
   1. לכייל מצלמות מעקב אחר תנועה באמצעות הוראות שסופק על-ספק וציוד בהתאם להוראות יצרן.
   2. באמצעות קלטת וחומרי אריזה אחרות, לצרף חיישני LED פעילים לציוני דרך גרמיות ליד המפרקים של הזרוע ונקודות אנטומיים אחרות של ריבית ששמשה בבניית מודלים ביו-מכאניים: גדוד הדיסטלי של תהליכי אצבע, רדיאלי וstyloid האולנרי בשורש כף היד , תהליך olecranon בתהליכי מרפק, coracoid וacromion של כתף, sternoclavicular חריץ, תהליך xiphoid, ותהליך spinous של C7. צרף אחר הובילו לאוזניות VR להגדיר את נקודת המבט בסביבה הווירטואלית.
   3. חבר כל LED לרתם חיווט שמחובר ליחידת הנהג האלחוטית. הפעל האו"ם הנהגזה ולהבטיח תאורה נכונה של כל הנוריות.
   4. מקם את הסנכרון LED במיקום נוח במרחק מהנושא, אבל בתוך תצוגה ברורה של המצלמות.
4. לוקליזציה הגירוי מגנטית Transcranial Stereotaxic
   1. לכייל חומרה ותוכנה המיועדת לרישום TMS ^12, כדי לאפשר למיקום סליל מדויק. זה בדרך כלל כרוך סלילי TMS רישום משותף עם ציוני דרך אנטומיים כגון nasion, נקודות preauricular, וקצה האף. רישום stereotaxic בין משתתף וסליל הגירוי הוא חלק בלתי נפרד לוקליזציה גירוי עולה בקנה אחד.
5. לוקליזציה חמה-מקום חבר הפרלמנט האירופי וPprocedures סף חבר הפרלמנט האירופי
   1. לבצע טכניקות "נקודה חמה" כביכול כדי לאתר אזורי TMS רגישים של קליפת המוח המייצרים את חברי הפרלמנט האירופי משרעת הגדולים עם הסף הנמוך ביותר על גירוי ^8,13,14. גירוי מגנטי Transcranial לחקר מערכות מנוע בדרך כללכרוך גירוי אזור בקליפת המוח ששולט על תנועה בחלק גוף מסוים (לדוגמא זרוע ויד) ^15.
   2. רשום את המיקום של כל אתרי גירוי אידיאליים על קרקפת המשתתפים עם הציוד המכויל stereotaxic הרישום והתוכנה נלווה. לאחר כל מיקום נרשם עם התוכנה, להבטיח הדיוק שלה על ידי העברת המקום ומגרה שוב, מחפשת תשובות חבר הפרלמנט האירופי דומות.
6. משימה התנהגות במציאות מדומה
   1. לעצב את הפרמטרים של המשימה התנהגותיות (למשל תנועות לכת) לשימוש בניסוי. במחקר הנוכחי, המשימה היא להגיע למטרות וירטואליות ממוקמות ברצף במקומות שונים מרחבית. הגודל של המטרות מגדיר את הדיוק שבה המשתתפים לעבור. לעצב את התנועות כך שכיוונים וגדלים של מומנטים משותפים שונים הם עוררו כמשתתפים להגיע למטרות.
   2. הגדרת סביבת VR שמנחהנושאים במשימה התנהגותיות באמצעות תוכנת VR מסחרית התואמת את מערכת האוזניות ומעקב אחר תנועה על פי הפרוטוקול של היצרן. הכר את המשאבים של חבילת התוכנה הנדרשת חישובית ודרישות שפת תכנות. יש חבילות תוכנה הנפוצה VR היכולת לתכנת עם שפות כולל Python, C ++, C #, ואחרים. בנוסף, יציאות אנלוגיות תכנית דרך יציאת מקבילית לסנכרון וסימון של אירועים ספציפיים של עניין (איור 2). בניסוי הנוכחי, תוכנת VR פלטי אירועים בתחילת כל חזרה של המשימה ולעתים של גירוי TMS רצוי.
   3. חבר את פלט VR למעגל הסנכרון (איור 3) ו / או הציוד האחר לסנכרון באמצעות כבלים עם מחברים תואמים.
   4. להורות נושאים כדי לבצע את המשימה התנהגותיות VR. במחקר הנוכחי, סביבת VR הייתהמוצג באמצעות תצוגה רכוב ראש שבו משתתפים צפו מערכים של מטרות כדוריות. שימוש בתוכנת VR, רצפי תכנית ספציפית תנועה על ידי שינוי המראה של מטרות (צבע, מיקום, וכו ') וקראו למשתתפים בפעולות אלה. בנוסף ליידע משתתפים מכל אילוצי תנועה רצויים אחרים. לדוגמא, משתתפים במחקר הנוכחי התבקשו לשמור את כל מגזרי הזרוע בתוך מישור אנכי של תנועה תוך כדי להגיע ליעדים.
   5. ברגע שמשתתפים רגילים נתונים תנועות ניסיוניות, EMG שיא ולכידת תנועה, וסנכרון אותות באמצעות סקריפטים מותאמים אישית או חבילות תוכנה המסופק על-ספק. התאם את קצב הדגימה של כל נתוני מערכת רכישה לערכים רצויים; בנוסף להכיר ולהתאים את כל פרמטרים יצרן ספציפי כגון תנועת מעקב LED עוצמה.

Representative Results

סנכרון של זרמי נתונים הרבים בהתקנה זו מאפשר להקליט קינמטיקה, פעילות רציפה שריר (EMG), ופעילות עצבית-שרירית (חברי הפרלמנט האירופי) מיידיים המתרחשות במהלך תנועות של הגפיים העליונים. ניסויים חוזרים ונשנים של תנועה נתון נדרשים לשחזר פרופילי תגובה חבר הפרלמנט האירופי על תנועה כולה. איור 4 מציג נתונים שנאספו מנושא אחד. איור 4 א מציג דוגמא של זרמי נתונים אלה במהלך משפט יחיד עם אותות הסנכרון המתאימים ואירועים. יישור זמני של האותות ביחס לאירוע הסנכרון הוא הליך פוסט הוק-פשוט באמצעות תוכנת ניתוח אותות (האותות "עברו" בזמן שימוש באירוע הסנכרון כעוגן זמני נפוץ). אז אותות יכולים להיות על ידי משך הזמן של כל משפט תנועה-מנורמל זמן. ללא סנכרון, זרמי נתונים EMG ולכידת תנועה יכולים להיות פער זמני כגרלאכול כמו 160-190 אלפיות שני. עם זאת, על ידי שימוש בסנכרון בנוסף למשמש איתות TTL נרחב, משתמשים צריכים לצפות כדי למזער שגיאות זמניות בין זרמי נתונים למגבלה של תדרי הדגימה של אותותיהם (כ msec אחד בדוגמא זו). איור 4 מציג קינמטיקה זוויתי ממוצעת ודינמיקה על פני 24 ניסויים לתנועה אחת, הראש הארוך של פרופיל EMG שרירי מניסויים ללא TMS באותה התנועות, והפרופילים המתאימים המשוחזרים חבר הפרלמנט האירופי מניסויים עם TMS יחיד הדופק במהלך תנועה לאותו יעד.

איור 4:. מערך של EMG וMotion Capture () אותות נציג שנרשמו במהלך משפט ניסיוני מוצגים בעמודה השמאלית של תרשימים. העיגולים הכחולים ואדומים מתאים לאירוע סנכרון שנוצר VR אותו הוקלט על ידי שתי separatחתיכות דואר של ציוד (מאוירות על ידי חלוקת קו שחור). נקודות זמן אלה ונתונים בהתאמתם מאוחר יותר באופן זמני מיושרים באמצעות תוכנה מותאמת אישית. ההבדל בין שתי נקודות הזמן האלה יכול להיות כלפי מעלה של 190 אלפיות שניים באמצעות בעת השימוש בציוד שתואר בפרוטוקול זה; חוקרים אחרים תוך שימוש בציוד שונה עלולים לחוות עיכובים שונים. (ב) לאחר יישור זמני, בממוצע ניתן ליצור נתונים כדי לתאר את פיסיולוגי, kinematic, ותכונות דינמיות של תנועה. נתונים אלה מייצגים 24 ניסויים של אותה התנועה; הברים על גרף חברי הפרלמנט האירופי Bicep והאזורים המוצלים על גרפים אחרים מייצגים סטיית תקן. לאחר מכן ניתן יהיו להשתמש בנתונים אלה כדי לתאר את אותות בקרת מנוע יורד פוטנציאליים ביחס לפעילות שרירים וקינמטיקה תנועה ודינמיקה.

Discussion

המטרה של מאמר זה היא מתאר שיטה לשילוב VR למחקר של תנועה אנושית ושיטה לסנכרון זרמי נתונים שונים. מציאות מדומה תרחיב את היכולות של חוקרים המנסים לשחזר תרחישי תנועה בעולם אמיתי בסביבת מעבדה. VR שילוב עם שיטות הקלטה וגירוי עצבית-שרירית אחרות יוצר חבילה חזקה של כלי ללימוד מקיף מנגנוני שליטה מוטורית אנושיים. מערכי נתונים רב-ממדיים וכתוצאה מכך התקבלו במהלך ניסויים תוכננו בקפידה יכולים להעמיק את ההבנה של השליטה העצבית של תנועה שלנו.

אחת התכונות החשובות יותר של מערכת זו היא היכולת לסנכרן זרמי נתונים אלקטרו וללכוד תנועה עם אירועים שנוצרו VR נפוצים. המעגל המותאם אישית שתואר בפרוטוקול זה משמש כבסיס שניתן לשנות כדי לספק את הדרישות הייחודיות של Exp האחר גמיש, יעיל וחסכוניפרדיגמות erimental וציוד, בדומה לפתרונות בתחומים אחרים ^9. אירוע הסנכרון הנפוץ הוא פקודת הפלט מקבילה שמקורו מהמחשב הפועל תוכנת VR שלנו. היתרונות של ממשק מקביל סטנדרטי הם הפשטות, המהירות והגמישות שלה. בתוך ממשק מקביל יש שמונה קווים עצמאיים נתונים, המייצגים כל ספרה בינארית מ 2 ^{0-2 7;} סכום הספרות אלה יכול להיות שווה טווח מספרים בין 0 ל 255. כל אחד מקווי נתונים המתאימים יכול להיות מנוצל כאותות הדק נפרדים ובו-זמנית לממשק עם מערכות רבות. אותות הדק אלה הם אותות מתח מרובע גל בדרך כלל פשוטים, המכונה גם אותות TTL או קטניות.

במהלך משפט תנועה, אירוע הסנכרון הנפוץ הוא יזם המבוסס על מיקומו של משתתף בסביבה וירטואלית מעקב באמצעות מערכת לכידת תנועה מבוססת LED אינפרא אדום. הסנכרוןאות אירוע (TTL) מהתוכנה VR מנותבת למעגל המותאם אישית שנועד לשדר בו זמנית אירוע סנכרון VR לנתונים EMG שלנו וזרמים לכידה תנועה (איור 3). מערכת EMG מתעדת את דופק TTL עם פעילות שרירים מתמשכת. אות VR גם מנותבת דרך החלק הפעיל במעגל, אשר שולט על אספקת החשמל לLED ממערכת לכידת תנועה. עם קבלת דופק TTL, LED-מנותב מחדש כבוי לתקופה קצרה של זמן. אירוע זה נרשם על ידי מערכת לכידת תנועה והוא באופן זמני סינכרוני עם דופק TTL נרשם על ידי מערכת EMG. אירוע זה יכול לאחר מכן לשמש כדי ליישר את האותות לניתוחים.

החלק הפעיל של המעגל (סכמטי שמוצג באיור 3) מבוסס בעיקר על מעגל משולב ספציפי (IC) או "שבב", הידוע בכינוי "מעגל טיימר 555" ^16. התפוקה של 555מעגל תזמון (בדרך כלל במתח נמוך) נכנס לNAND (מבטל ו) שער יחד עם מתח קבוע הניתן על ידי כוח USB. שער NAND הוא רכיב היגיון חשמל כי פלטי ערך נמוך (כלומר 0V) כאשר שתי הכניסות הן (מתח רכבת למשל) גבוה. הבלעה באיור 3 מפרטת את הפעולה של המעגל שלנו עם קבלת אות סנכרון אירוע. משך הזמן שהמעגל מכבה את הנורית תלויה בערכים המשמשים לR1 וC1, ונמצא על ידי המשוואה: t = 1.1 * R1 * C1. ערכי התנגדות וקיבול הניסוי הנדרשים תיארו כרגע של megaohm אחד ואחד microfarad, בהתאמה, כדי לייצר קפאון סנכרון אור קצר יותר מאשר משך תנועה טיפוסית (כ שנייה לעיצוב זה).

יש השיטה של ​​הפרוטוקול הנוכחי לסנכרון יתרונות רבים על פני אפשרויות זמינות מסחרי. רכיבי המעגל וכלים דרושים להssembly זמינים בספקי רכיבים חשמליים עבור עלות מינימאלית ^9. בנוסף, פתרון מבוסס חומרה פשוטה לסנכרון מאפשר הנסיינים בקלות רב יותר באגים בעיות שעלולות להתעורר במהלך פגישות ניסיוניות. לבסוף, על ידי שימוש באיתות TTL למדי בכל מקום, אפשר בקלות להתאים לעיצובים ניסיוניים חדשים שעושות שימוש במתודולוגיות שונות וציוד (למשל EEG). חסרון פוטנציאלי של המערכת רב תכליתי שתוארה בפרוטוקול זה הוא המורכבות של מערכי ניסוי במערכות איסוף נתונים רבים. זה יכול לגרום לפגישות ארוכות ניסיוניות, עייפות משתתף, והזדמנויות רבות לכשלים במערכת. הנסיינים יכולים למזער את הבעיות באמצעות עיצוב פרדיגמות ניסוי תמציתיים שמטרה לחקור תופעות עצבית-שרירית מאוד ספציפיות.

הליך המעגל וסנכרון כולל מיושם בפרוטוקול זה נועד לספק gu להכלילidelines לביצוע ניסויים ביו-מכאניים עם מספר זרמים, נרשמו בו זמנית נתונים. הפרוטוקול מתאר את הליכים כדי לסנכרן זרמי נתונים מכל ציוד עם כניסות אנלוגיות או גורמים או אותות LED. עם זאת, חוקרים משתמשים במערכות מעקב תנועה פסיביות ללא נוריות, סביר להניח שיצטרכו לשנות את הפתרון תאר כרגע. מערכות עם לכידת תנועה פסיבית והקלטה אחרת וציוד גירוי שמופעל באופן דיגיטלי לא צריך להסתמך על מעגל הסנכרון. במקום זאת, מערכות כאלה היו להסתמך על פתרונות מבוססי תוכנה מותאמת אישית, העיצוב שלו ניתן להסיק מהדוגמא של המערכת הנוכחית. כך, הפרוטוקול מספק עקרונות להכללה לסייע פתרונות עיצוב לתרחישים ייחודיים אחרים.

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