Abstract
Lo studio di controllo neuromuscolare circolazione nell'uomo è realizzato con numerose tecnologie. Metodi non invasivi per lo studio funzione neuromuscolare stimolazione transcranica magnetica includono, elettromiografia, e motion capture tridimensionale. L'avvento delle soluzioni di realtà virtuale prontamente disponibili e costo-efficacia ha ampliato le capacità dei ricercatori nel ricreare "mondo reale" ambienti e movimenti in un ambiente di laboratorio. Analisi naturalistica movimento non solo raccogliere una maggiore comprensione del controllo motorio in soggetti sani, ma anche consentire la progettazione di esperimenti e strategie di riabilitazione che hanno come target deficit motori specifici (ad esempio ictus). L'uso combinato di questi strumenti porterà a sempre più profonda comprensione dei meccanismi neurali di controllo motorio. Un requisito fondamentale quando si combinano questi sistemi di acquisizione dati va bene la corrispondenza temporale tra i diversi flussi di dati. Tsuo protocollo descrive connettività di un sistema multifunzionale generale, segnalazione intersystem, e la sincronizzazione temporale dei dati registrati. La sincronizzazione dei sistemi componenti è principalmente realizzato attraverso l'uso di un circuito personalizzabile, facilmente realizzato con componenti off scaffale ed elettronica minime competenze di assemblaggio.
Introduction
La realtà virtuale (VR) sta rapidamente diventando uno strumento di ricerca accessibile per l'uso in un certo numero di campi, tra cui lo studio del movimento umano. Lo studio del movimento dell'arto superiore è particolarmente beneficiato incorporando VR. La realtà virtuale consente la rapida personalizzazione dei parametri sperimentali volti a indagare le caratteristiche specifiche cinematici e dinamici di controllo del movimento del braccio. Questi parametri possono essere regolati singolarmente per ogni soggetto. Ad esempio, le posizioni dei bersagli virtuali possono essere scalati per assicurare identica postura braccio iniziale tra i soggetti. La realtà virtuale permette anche la manipolazione del feedback visivo durante gli esperimenti, che è uno strumento prezioso per la ricerca visuomotorio 1-5.
L'utilizzo di ambienti realistici VR con altri strumenti biomeccanici consentirà anche scenari naturalistici di movimento in cui sperimentare schemi di movimento. Questa disposizione sta diventando sempre più importante per lastudio e la pratica della riabilitazione dopo la malattia e infortunio 6,7. Mimando i movimenti e ambienti naturalistici (ad esempio che effettuano movimenti in una cucina virtuale) in ambito clinico consentirà specialisti della riabilitazione per descrivere più precisamente i danni di un individuo in un contesto reale. Descrizioni di valore altamente individualizzato consentiranno strategie di trattamento più mirati, aumentando potenzialmente l'efficacia e ridurre la durata della riabilitazione.
La combinazione VR con altri strumenti come la stimolazione transcranica magnetica (TMS), elettromiografia di superficie (EMG), e pieno motion capture del corpo, crea una piattaforma estremamente potente e flessibile per lo studio del controllo neuromuscolare del movimento in esseri umani. La stimolazione magnetica transcranica è un potente metodo non invasivo per misurare la eccitabilità e l'integrità funzionale delle vie discendenti del motore (ad esempio, tratto corticospinale) attraverso respons EMGes, come potenziali evocati motori (MEP) 8. Sistemi di motion capture tridimensionale moderne consentono inoltre ai ricercatori di studiare l'attività neuromuscolare insieme con conseguenti cinematica del movimento e la dinamica. Questo consente la creazione di modelli estremamente dettagliati del locomotore, nonché la verifica delle ipotesi per quanto riguarda la struttura e la funzione dei controllori neurali. Questi studi espandere la nostra conoscenza scientifica del sistema sensomotorio umana e portare a miglioramenti nel trattamento dei disturbi muscoloscheletrici e neurologici.
Tuttavia, uno dei principali problemi con i sistemi multifunzione è la sincronizzazione dei flussi di dati registrati separatamente (cattura per esempio movimento, EMG, etc.). L'obiettivo di questo protocollo è quello di descrivere una disposizione generalizzabile di sistemi disponibili sul mercato comune per registrare simultaneamente le misurazioni biomeccaniche e fisiologiche durante il movimento. Altri ricercatori, avvalendosi di impiantidiversi produttori possono avere a modificare gli elementi di questo protocollo per soddisfare le loro specifiche esigenze. Tuttavia, i principi generali di questo protocollo dovrebbe essere ancora applicabile.
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Protocol
Tutti i partecipanti coinvolti nella sperimentazione sono sottoposti a procedure di consenso informato approvate dalla West Virginia University Institutional Review Board (IRB).
1. il totale delle caratteristiche di sistema, progettazione, e Sperimentale compito generale
Nota: La configurazione completa comprende i seguenti componenti principali: attrezzature EMG e associato acquisizione (DAQ) apparecchiature digitali; un sistema di motion capture (questo protocollo è dotato di un sistema attivo a LED); un'unità TMS con una bobina cifra di otto e attrezzature localizzazione stereotassica; un auricolare VR e il computer e relativo software; e un costume di sincronizzazione del circuito. La figura 1 illustra schematicamente la connettività tra i componenti del protocollo.
- Collegamento dei componenti del sistema
- Collegare EMG preamplificatore all'amplificatore principale.
- Collegare l'uscita di EMG dell'amplificatore a DAQ registrazione blocco ingresso apparecchiature che utilizzano BNC o CONNEC similezioni.
- Collegare apparecchio di acquisizione dati sul computer dedicato che eseguirà uno script di acquisizione dati (file supplementari).
- Collegare l'uscita parallela del computer di controllo VR all'unità circuiti personalizzati (vedere la sezione successiva per i dettagli).
- Collegare la sincronizzazione e motion capture attivazione uscite da circuito personalizzato al blocco registrazione DAQ a fianco di collegamenti del segnale EMG.
- Split grilletto motion capture e collegarlo alla porta "input analogico Start" sull'apparecchiatura EMG DAQ nonché la connessione trigger sul computer che controlla apparecchiature motion capture.
Nota: La differenza temporale tra l'inizio dei rispettivi flussi di acquisizione dati per le apparecchiature descritte (motion capture e EMG) può variare 160-190 msec. Questa differenza temporale motivato il disegno del circuito di sincronismo descritto in questo protocollo ed è probabilmente causato dalle differenze software e hardware tra questi due sistemi. <li> Collegare TMS innesca porta sull'unità circuito personalizzato a BNC grilletto ingresso sull'unità di controllo TMS.
- Stabilire la connettività di rete tra i computer VR e motion capture utilizzando il software vendor fornito e collegamenti di rete fisici.
- Collegare l'auricolare al calcolatore VR VR e di garantire interoperabilità con tutti gli script / programmi che mostrano gli ambienti virtuali per i partecipanti.
Figura 1:. Connettività di intera impostazione Questa configurazione descrive la connettività generale tra gli elementi del nostro sistema. Il circuito di sincronizzazione è descritto altrove nel testo in modo più dettagliato. La traccia blu corrisponde al segnale che parte sia motion capture e flussi di dati EMG. Questo evento è la fonte del ritardo temporale fino a 190 msec utilizzando l'apparecchiatura descritta in questo protocollo. La traccia rossa corrisponde al synchronizat VR avviataevento che è ion concomitanza registrato dal motion capture e sistemi EMG e successivamente utilizzata per l'allineamento temporale dei rispettivi flussi di dati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
2. Dettagli generali di System Integration e sincronizzazione
Nota: La sincronizzazione dei sistemi di acquisizione dati separati in questo protocollo (motion capture e EMG) è realizzato attraverso l'utilizzo di un segnale di evento che è comune a tutti i flussi di registrazione. Utilizzando un evento comune, tutti i segnali possono essere temporalmente riallineato dopo la raccolta dei dati per ridurre al minimo le discrepanze di registrazione in tempo reale (verso l'alto di 190 msec utilizzando gli equipaggiamenti in questo protocollo). In questo protocollo, il segnale comune ha origine dal sistema VR come un segnale porta parallela. Il segnale comune viene instradato a un circuito che permette la sincronizzazione dei dati separatacorsi d'acqua attraverso la registrazione diretta con segnali EMG e simultaneamente spegnendo un LED di motion capture. Il circuito è costruito utilizzando gli strumenti e le tecniche di base per la costruzione di componenti elettronici, simile ai circuiti descritto altrove 9.
- Design, layout, e la costruzione di sincronizzazione Circuito
- Individuare eventuali meccanismi TTL a base di attivazione analogici centraline attrezzature (ad esempio TMS, motion capture) e familiarizzare con attivazione requisiti come la direzione degli impulsi TTL (positivo / negativo) e l'ampiezza. Meccanismi analogici innescando spesso possiedono connettori coassiali comuni "BNC" che rendono componenti di connessione semplice.
- Aggiungere un LED al sistema di acquisizione movimento supplementare da utilizzare per la sincronizzazione del segnale; route fili del LED attraverso il circuito di sincronizzazione (Figura 3).
- Determinare i parametri del componente elettrico (cioè resistenza, capacità) necessarie per turn via il LED per un determinato periodo di tempo di sincronizzazione. Trova la quantità di tempo che la sincronizzazione LED del circuito è spento dall'equazione: t = 1,1 * R1 * C1. Questo tempo è suggerito per essere inferiore alla durata media di un movimento sperimentale. Ad esempio, l'esperimento descritto attualmente richiesto un resistore e condensatore valutato a circa un megaohm microfarad e uno rispettivamente.
- Utilizzare un saldatore per aderire componenti elettrici ad una "prototipazione" stampata o "progetto" circuito seguendo lo schema indicato nella figura 3 Racchiudere questo circuito in una scatola di "progetto" plastica comunemente disponibili.; sarà probabilmente necessario praticare dei fori in questa casella per i connettori BNC. Il circuito può essere facilmente alimentato da 5 V di alimentazione USB da un computer desktop; sarà necessario scomporre un cavo USB per isolare i cavi di alimentazione e di terra. Condensatori di bypass possono essere necessari per regolare la potenza al 555circuito integrato (non mostrato in figura 3).
- Controllare il circuito per eventuali ponticelli saldati indesiderate tra i componenti elettrici. Se trovato, rimuovere saldatura con uno strumento di aspirazione o riscaldare la saldatura e rimuovere meccanicamente il collegamento ponte.
Figura 2:. Diagramma di flusso di prova Questo diagramma di flusso descrive i segnali di stimolo e di eventi che si verificano nel corso di un tipico processo sperimentale che include la stimolazione TMS. Codici porta parallela che si verificano nel corso di un processo sono riportati nei simboli schematici DB25 (azzurro).
- Dettagli di sincronizzazione
- Utilizzando un diagramma di flusso simile alla figura 2, determinare quando singole apparecchiature devono essere attivate nel corso di un movimento sperimentale. Ad esempio, alcune attrezzature può essere attivato singolarmente, mentre altri possono essere attivati contemporaneamente. In momenti che richiedono attivazione o di segnalazione (ad esempio blu simboli di porta parallela in figura 2), determinare quali porte parallele Linee di segnale da utilizzare e integrare nel sistema VR. Ciò si ottiene inviando valori numerici alla porta parallela ai tempi indicati durante i movimenti, ciascuna riga rappresenta una cifra binaria. Per maggiori dettagli su segnalazione parallelo basato porta, consultare la discussione.
Figura 3:. Sincronizzazione Circuit Questo schema mostra il layout del nostro circuito di sincronizzazione personalizzata. L'output predefinito della porta NAND è uno stato ad alta tensione; questa tensione di uscita viene inviato al gate di un transistore con cui il circuito del LED sincronizzazione viene instradato. Questo stato di default rende il circuito chiuso, che mantiene il LED in uno stato illuminato. Alla ricezione di una trigge sincronizzazioner Segnale porta parallela (traccia rossa in riquadro), uno stato interno del dispositivo 555 è capovolto il rendering l'output in uno stato di alta, spegnendo il LED (traccia blu). In questo caso, la tensione su C1 (verde traccia) si accumula ad una tensione che ripristina lo stato interno del 555, riattivando il LED. Il segnale di attivazione della porta parallela sync è anche direttamente instradato a un connettore BNC collegato alla porta di ingresso trigger TMS. Nota: La direzione di questo segnale trigger può essere invertita (da comandata a negativo in corso o viceversa) a seconda delle specifiche esigenze di attrezzature di un investigatore. L'aggiunta di un chip "inverter" su questa uscita grilletto sarebbe facilmente eseguire questa operazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3. Le procedure sperimentali
- Procedure di sicurezza e consenso informato
- Ensure che le procedure di tutti sperimentali sono approvati da un Comitato Etico (IRB). Spiega tutte le procedure per i partecipanti e acquisire il consenso informato con IRB approvato la documentazione.
- Dopo aver acquisito il consenso informato, effettuare uno screening di sicurezza di base TMS con i partecipanti al fine di garantire che non hanno l'acufene, una storia familiare di epilessia o convulsioni, o di altre condizioni con rischi elevati di sequestro.
- Durante la stimolazione TMS, rigorosamente richiedere l'uso di tappi per le orecchie di protezione per evitare danni all'udito.
- Elettromiografia Collection
- A seconda degli obiettivi scientifici dello studio di un lettore, determinare da quale braccio muscoli a registrare segnali EMG. Per lo studio descritto in questo protocollo, coppie generate alla spalla e del gomito durante il movimento sono stati studiati. Così, segnali EMG registrati provenivano i principali muscoli superficiali che agiscono su questi due articolazioni, come ad esempio il deltoide, pettorale, bicipiti, tricipiti, e brachioradialis.
- Effettuare tutti i collegamenti elettrici necessari tra varie attrezzature EMG inclusi amplificatori, preamplificatori, fili del sensore, e pastiglie dei sensori in base alle specifiche del costruttore collegando i connettori corrispondenti.
- Preparare ogni sito elettrodo leggermente la pulizia con un tampone imbevuto di alcool, rimuovendo tutti i capelli eccesso con un rasoio, e applicando un gel abrasivo. La corretta preparazione del sito assicura valori coerenti e bassi elettrodo-cute impedenza (<10 kohm) ed elevato rapporto segnale-rumore di segnali EMG registrati.
- Hanno soggetti eseguono contrazioni isometriche progettati per isolare i singoli muscoli di interesse sulla base di descrizioni anatomiche e biomeccaniche accettati 10. Ad esempio, per isolare il bicipite, chiedere al partecipante di resistere un'estensione imposto del gomito.
- Dopo aver soggetti eseguono contrazioni muscolari-isolamento, apporre differenziali bipolari elettrodi EMG oltre la spessa, porti centralesu, o "pancia", di ogni muscolo in luoghi riconosciuti 11. Ciò garantisce una copertura di un numero massimo di fibre muscolari e riduce al minimo "crosstalk" tra i muscoli vicini. Assicurarsi di allineare gli assi più lunghi degli elettrodi bipolari 'lungo i muscoli, parallele alle fibre.
- Fissare l'elettrodo di terra EMG secondo le specifiche attrezzature (ad esempio, la pelle sopra la vertebra C7).
- Record amplificato segnali EMG con attrezzature DAQ controllato da uno script di computer personalizzato. Lo script utilizzato nel protocollo corrente viene allegato come file supplementare.
- Regolare guadagni applicati ai segnali registrati a livello desiderato spostando quadranti sul preamplificatore EMG. Evitare valori del guadagno che causano segnali registrati a superare il campo di ingresso dell'apparecchio di controllo (tipicamente 5V). Valori di guadagno EMG comuni sono tra 1,000-4,000.
- Eseguire contrazioni isometriche simili a quelle effettuate al punto 3.2.4 e controllare visivamente signa EMGls per garantire che essi sono di alta qualità (cioè alto rapporto segnale-rumore). Riposizionare gli elettrodi e, se necessario, modificare il guadagno del segnale.
- Motion Capture preparazione sistema
- Calibrare movimento telecamere di monitoraggio utilizzando le istruzioni e le attrezzature del fornitore in base alle istruzioni del produttore.
- Utilizzando del nastro e altri materiali d'imballaggio, collegare sensori LED attivi di punti di riferimento ossei vicino alle articolazioni del braccio ed altri punti anatomici di interesse utilizzato per la costruzione di modelli biomeccanici: la falange distale dei processi dito indice, radiali e stiloide ulnare al polso , processo olecranico ai processi di gomito, coracoide e acromion della spalla, tacca sterno-clavicolare, processo xifoideo e spinoso processo di C7. Fissare un LED per l'auricolare VR per impostare il punto vista nell'ambiente virtuale.
- Collegare ogni LED per un cablaggio che è collegato all'unità driver wireless. Attivare un autistae garantire una corretta illuminazione di tutti i LED.
- Posizionare il LED in una comoda posizione di distanza dal soggetto di sincronizzazione, ma in chiara visione delle telecamere.
- Stimolazione Magnetica Transcranica localizzazione Stereotassica
- Calibrare hardware e software progettato per la registrazione TMS 12, per consentire il posizionamento preciso della bobina. Si tratta in genere di co-registrazione di bobine TMS con punti di riferimento anatomici come il nasion, punti preauricolari, e punta del naso. Registrazione stereotassica tra un partecipante e la bobina stimolazione è parte integrante di localizzazione stimolazione costante.
- MEP Localizzazione Hot-spot e MEP Pprocedures Soglia
- Eseguire tecniche cosiddette "hot-spot" per individuare regioni TMS-sensibili della corteccia che producono i maggiori eurodeputati ampiezza con la soglia più bassa dopo stimolazione 8,13,14. La stimolazione magnetica transcranica per lo studio dei sistemi a motore in generecoinvolge stimolando una zona corticale che controlla il movimento in una parte del corpo specifica (ad esempio il braccio e la mano) 15.
- Registrare la posizione di altri siti di stimolazione ideali sul cuoio capelluto dei partecipanti con l'apparecchiatura di registrazione stereotassica calibrato e software associato. Dopo ogni posizione viene registrata con il software, garantirne l'esattezza spostando il punto e stimolante di nuovo, alla ricerca di risposte MEP simili.
- Compito del comportamento in Realtà Virtuale
- Progettare i parametri del compito comportamentale (es raggiungono movimenti) da utilizzare nell'esperimento. In questo studio, il compito è quello di raggiungere gli obiettivi di virtuali poste in sequenza in diverse posizioni spaziali. La dimensione degli obiettivi definisce la precisione con cui i partecipanti si muovono. Progettare i movimenti tali che direzioni diverse e grandezze di coppie miste sono evocati come partecipanti di raggiungere per obiettivi.
- Impostare l'ambiente VR che guidasoggetti attraverso l'attività comportamentale utilizzando software commerciale VR che è compatibile con il sistema di auricolare e motion tracking secondo il protocollo del produttore. Acquisire familiarità con il termine risorse computazionali del pacchetto software e le esigenze del linguaggio di programmazione. Pacchetti software VR comune hanno la capacità di essere programmato con lingue tra cui Python, C ++, C #, e altri. Inoltre, le uscite analogiche programma attraverso la porta parallela per la sincronizzazione e la marcatura di eventi specifici di interesse (Figura 2). Nell'esperimento corrente, il software VR emette eventi all'inizio di ogni ripetizione del compito ea volte di stimolazione TMS desiderata.
- Collegare l'uscita VR al circuito di sincronizzazione (Figura 3) e / o di altre apparecchiature per essere sincronizzato utilizzando cavi con connettori corrispondenti.
- Istruire soggetti a svolgere il compito comportamentale VR. Nel corso di studio, l'ambiente era VRpresentato utilizza un display montato sulla testa in cui i partecipanti hanno visto array di bersagli sferici. Utilizzando il software VR, programma specifico sequenze di movimento per alterare l'aspetto degli obiettivi (colore, posizione, ecc) e familiarizzare i partecipanti con queste azioni. Inoltre informare i partecipanti di eventuali altri vincoli movimento desiderato. Per esempio, i partecipanti al corso di studio è stato chiesto di mantenere tutti i segmenti del braccio all'interno di un piano verticale di movimento, mentre per raggiungere gli obiettivi.
- Una volta che i partecipanti sono abituati ai dati movimenti sperimentali, EMG registrare e motion capture, e segnali utilizzando script personalizzati o pacchetti software forniti dal produttore sincronizzazione. Regolare la velocità di campionamento di ogni sistema di acquisizione dati ai valori desiderati; inoltre familiarizzare con e regolare i parametri specifici del costruttore, come movimento tracking intensità LED.
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Representative Results
La sincronizzazione dei numerosi flussi di dati in questa configurazione permette di registrare la cinematica, l'attività muscolare continuo (EMG), e istantanei di attività neuromuscolare (MEP) che si verificano durante i movimenti dell'arto superiore. Prove ripetute di un dato movimento sono necessari per ricostruire profili di risposta MEP su un intero movimento. Figura 4 visualizza i dati raccolti da un soggetto. Figura 4A mostra un esempio di questi flussi di dati durante un singolo processo con i corrispondenti segnali di sincronizzazione ed eventi. Allineamento temporale dei segnali rispetto alla evento di sincronizzazione è una procedura di post-hoc semplice utilizzando il software di analisi del segnale (i segnali vengono "spostati" nel tempo utilizzando l'evento di sincronizzazione come ancoraggio comune temporale). Segnali possono essere normalizzato in tempo per la durata di ogni prova movimento. Senza sincronizzazione, i flussi di dati EMG e motion capture possono avere una discrepanza temporale come grmangiare come 160-190 msec. Tuttavia, utilizzando la sincronizzazione in aggiunta a ampiamente usato segnalazione TTL, gli utenti devono aspettarsi di minimizzare gli errori temporali fra flussi di dati al limite delle frequenze di campionamento di loro segnali (circa un msec in questo esempio). Figura 4B mostra cinematica angolare media e dinamiche in 24 prove per un unico movimento, il capo lungo del profilo EMG bicipiti da studi senza TMS durante gli stessi movimenti, ed i corrispondenti profili MEP ricostruite da prove con singolo impulso TMS durante il movimento per gli stessi obiettivi.
Figura 4:. Allineamento di EMG e Motion Capture (A) segnali rappresentativi che sono registrati durante una prova sperimentale vengono visualizzati nella colonna di sinistra della classifica. I cerchi blu e rossi corrispondono allo stesso evento di sincronizzazione VR-generated registrato da due separate pezzi di equipaggiamento (illustrati dividendo linea nera). Questi punti di tempo ei rispettivi dati sono poi temporalmente allineati con il software personalizzato. La differenza tra questi due punti di tempo può essere verso l'alto di 190 msec utilizzano quando si utilizza l'apparecchiatura descritta in questo protocollo; altri ricercatori che utilizzano attrezzature diverse possono provare diversi ritardi. (B) Dopo l'allineamento temporale, media dei dati possono essere creati per descrivere la fisiologica, cinematica e caratteristiche dinamiche di un movimento. Tali dati rappresentano le 24 prove dello stesso movimento; le barre sul grafico eurodeputati Bicipite e le zone d'ombra su altri grafici rappresentano la deviazione standard. Tali dati possono successivamente essere utilizzati per descrivere i potenziali segnali di controllo motore discendente rispetto alla attività muscolare e cinematica movimento e dinamiche.
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Discussion
L'obiettivo di questo articolo è quello di descrivere un metodo per incorporare VR nello studio del movimento umano e un metodo per sincronizzare i vari flussi di dati. Realtà virtuale espandere le capacità dei ricercatori che tentano di ricreare scenari di movimento del mondo reale in un ambiente di laboratorio. La combinazione VR con altre metodologie di registrazione neuromuscolare e di stimolo forma una potente suite di strumenti per lo studio dei meccanismi di controllo completo del motore umani. I set di dati multidimensionali risultanti ottenuti durante gli esperimenti meticolosamente progettati possono approfondire la nostra comprensione del controllo neurale del movimento.
Una delle caratteristiche più importanti di questo sistema è la possibilità di sincronizzare i flussi di dati elettrofisiologici e motion capture con eventi VR-generati comuni. Il circuito personalizzato descritto in questo protocollo serve come, base flessibile e conveniente che può essere modificato per soddisfare le esigenze specifiche di altri expparadigmi erimental e attrezzature, simili a soluzioni in altri campi 9. L'evento di sincronizzazione comune è un comando uscita parallela che ha origine dal computer che opera il software VR. I vantaggi di un'interfaccia parallela standard sono la sua semplicità, velocità e flessibilità. All'interno di una interfaccia parallela esistono otto linee dati indipendenti, ciascuna rappresentante un numero binario da 2 0 a 2 7; la somma di questi numeri può eguagliare un intervallo di numeri da 0 a 255. Ciascuna delle rispettive linee dati possono essere utilizzati come segnali trigger separati e simultanee per interfacciarsi con numerosi sistemi. Questi segnali sono segnali di tensione di trigger onda quadra solito semplici, comunemente indicato come segnali TTL o impulsi.
Nel corso di un processo di movimento, l'evento di sincronizzazione viene avviata comune basata su posizione di un partecipante in un ambiente virtuale monitorato utilizzando un sistema di motion capture infrarossi a LED. La sincronizzazionesegnale di evento (TTL) dal nostro software VR viene instradata al circuito personalizzato che è stato progettato per trasmettere simultaneamente l'evento di sincronizzazione VR i nostri dati EMG e torrenti di motion capture (Figura 3). Il sistema EMG registra l'impulso TTL con l'attività muscolare in corso. Il segnale VR è anche instradata attraverso la porzione attiva del circuito, che controlla l'alimentazione di un LED dal sistema motion capture. Dopo aver ricevuto l'impulso TTL, il LED dirottato viene spento per un breve periodo di tempo. Questo evento viene registrato dal sistema di motion capture ed è temporalmente sincrono con il polso TTL registrato dal sistema di EMG. Questo evento può essere utilizzato successivamente per allineare i segnali per analisi.
La porzione attiva del circuito (schema mostrato in Figura 3) si basa principalmente su uno specifico circuito integrato (IC) o "chip", comunemente noto come "555 circuito temporizzatore" 16. L'uscita del 555circuito di temporizzazione (normalmente una bassa tensione) procede ad una NAND (negato e) porta con una tensione costante fornita dalla potenza USB. Una porta NAND è un componente logico elettrico che genera un valore basso (cioè 0 V) quando i due ingressi sono alti (ad es tensione rail). L'inserto in figura 3 dettaglia il funzionamento del nostro circuito quando riceve un segnale evento di sincronizzazione. La durata che il circuito spegne il LED dipende dai valori utilizzati per R1 e C1, e si trova dall'equazione: t = 1,1 * R1 * C1. Le resistenza e capacità esperimento richiesto valori attualmente descritte di uno e uno megaohm microfarad, rispettivamente, per produrre quiescenza luce sincronizzazione inferiore alla durata di un tipico movimento (circa un secondo per questo disegno).
Il metodo del protocollo corrente per la sincronizzazione ha numerosi vantaggi rispetto le opzioni disponibili in commercio. I componenti del circuito e gli strumenti necessari per la sua unassembly sono facilmente reperibili presso i fornitori di componenti elettrici per il minimo costo 9. Inoltre, una soluzione basata su hardware semplice per la sincronizzazione consente sperimentatori più facilmente il debug dei problemi che possono sorgere durante le sessioni sperimentali. Infine, utilizzando la segnalazione della TTL abbastanza onnipresente, si può facilmente adattarsi a nuovi progetti sperimentali che utilizzano diverse metodologie e attrezzature (ad esempio EEG). Un potenziale svantaggio del sistema multifunzionale descritto in questo protocollo è la complessità di apparati sperimentali con numerosi sistemi di raccolta dati. Ciò può portare a lunghe sessioni sperimentali, partecipante stanchezza e molteplici opportunità per errori di sistema. Gli sperimentatori possono ridurre al minimo i problemi attraverso la progettazione di paradigmi sperimentali succinte che mirano ad indagare molto specifici fenomeni neuromuscolari.
La procedura di circuito e di sincronizzazione generale attuata in questo protocollo mira a fornire generalizzabile guidelines per l'esecuzione di esperimenti con più biomeccanici, registrati contemporaneamente flussi di dati. Il protocollo descrive le procedure per sincronizzare i flussi di dati da qualsiasi apparecchiatura con ingressi analogici o trigger o segnali LED. Tuttavia, gli investigatori che utilizzano sistemi di motion tracking passivi senza LED, probabilmente necessario modificare la soluzione attualmente descritta. Sistemi con motion capture passivo e altra registrazione e apparecchiature stimolante che viene attivato in digitale non avrà bisogno di fare affidamento sul circuito di sincronizzazione. Invece, tali sistemi potrebbero fare affidamento su soluzioni basate su software personalizzati, il cui disegno può dedurre dall'esempio del sistema attuale. Così, il protocollo prevede principi generalizzabili per assistere progettazione di soluzioni per altri scenari unici.
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Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto da NIH concedere P20 GM109098, NSF e WVU ADVANCE programma di sponsorizzazione (VG), e fondi di start-up dipartimentali 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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