Multifunktionell Setup för att studera Human motordrifter Använda transkraniell magnetisk stimulering, elektromyografi, Motion Capture och Virtual Reality

Abstract

Studien av neuromuskulära kontrollen av rörelse hos människa åstadkommes med många tekniker. Icke-invasiva metoder för att undersöka neuromuskulär funktion inkluderar transkraniell magnetisk stimulering, elektromyografi, och tredimensionella motion capture. Tillkomsten av lättillgängliga och kostnadseffektiva virtual reality lösningar har utökat kapaciteten hos forskare att återskapa "verkliga" miljöer och rörelser i laboratoriemiljö. Naturalisrörelseanalys kommer inte bara att samla en större förståelse för motorstyrning hos friska individer, men också göra det möjligt att försöksplanering och rehabiliteringsstrategier som är riktade till särskilda motoriska funktionsnedsättningar (t.ex. stroke). Den kombinerade användningen av dessa verktyg kommer att leda till allt djupare förståelse av neurala mekanismer för motorstyrning. Ett viktigt krav när man kombinerar dessa datainsamlingssystem är bra tids korrespondens mellan de olika dataströmmar. Thans protokoll beskriver ett multifunktionellt system övergripande anslutning, inter signalering och tidssynkronisering av inspelade data. Synkronisering av delsystem främst åstadkoms genom användning av en anpassningskrets, lätt göras med off hyllan komponenter och minimala elektronik monterings färdigheter.

Introduction

Virtuell verklighet (VR) har snabbt blivit en lättillgänglig forskningsverktyg för användning inom en rad områden, bland annat studier av mänsklig rörelse. Studiet av övre extremiteterna rörelse särskilt gynnats genom att införliva VR. Virtual reality tillåter snabb anpassning av experimentella parametrar som syftar till att undersöka specifika kinematiska och dynamiska egenskaper hos armrörelse kontroll. Dessa parametrar kan justeras individuellt för varje patient. Till exempel, kan placeringen av virtuella mål skalas för att säkerställa identiska första arm hållning över ämnen. Virtual reality tillåter också manipulering av visuell feedback under experiment, som är ett ovärderligt redskap i visuomotor forskning ^{1 - fem.}

Användningen av realistiska VR miljöer med andra biomekaniska verktyg kommer också att tillåta naturalistiska rörelse scenarier för att testa rörelsemönster. Detta arrangemang blir alltmer värdefull förstudier och praktik av rehabilitering efter sjukdom och skada ^6,7. Härma naturalistiska rörelser och miljöer (t.ex. utför rörelser i en virtuell kök) i en klinisk miljö gör det möjligt för rehabiliterings specialister för att mer exakt beskriva en individs nedskrivningar i en verklighetstrogen sammanhang. Mycket individualiserade nedskrivningar beskrivningar kommer att möjliggöra mer fokuserade behandlingsstrategier och därigenom öka effektiviteten och minska varaktigheten av rehabilitering.

Kombinera VR med andra verktyg som transkraniell magnetisk stimulering (TMS), yta elektromyografi (EMG), och hela kroppen motion capture, skapar en extremt kraftfull och flexibel plattform för att studera den neuromuskulära kontrollen av rörelser hos människor. Transkraniell magnetisk stimulering är ett kraftfullt icke-invasiv metod för att mäta retbarhet och funktionella integriteten hos fallande motorvägar (t.ex. kortikospinala kanalen) genom EMG responses såsom motor framkallade potentialer (parlamentsledamöter) ^8. Moderna tredimensionella motion capture-system gör det också möjligt för forskare att studera neuromuskulär aktivitet tillsammans med resulterande rörelsen kinematik och dynamik. Detta tillåter skapandet av extremt detaljerade modeller i rörelseapparaten samt prövning av hypoteser angående strukturen och funktionen hos neurala styrenheter. Dessa studier kommer att expandera vår vetenskapliga kunskap om den mänskliga sensomotoriken och leda till förbättringar i behandling av muskuloskeletala och neurologiska sjukdomar.

Men det är ett stort problem med multifunktionella system synkronisering av separat inspelade dataströmmar (t.ex. motion capture, EMG, etc.). Målet med detta protokoll är att beskriva en generaliserbar arrangemang av vanliga kommersiellt tillgängliga system för att samtidigt spela in biomekaniska och fysiologiska mätningar under förflyttning. Andra forskare som använder utrustning frånolika tillverkare kan behöva ändra delar av detta protokoll för att passa deras specifika behov. Dock bör de allmänna principerna från detta protokoll fortfarande gälla.

Protocol

Alla deltagare i experiment genomgår informerade tillståndsförfaranden som godkänts av West Virginia University Institutional Review Board (IRB).

1. De totala systemegenskaper, design, och General experimentell uppgift

Obs: Den fullständiga installationen består av följande huvudkomponenter: EMG utrustning och tillhörande digital förvärv (DAQ) utrustning; en motion capture-system (detta protokoll innehåller en aktiv LED-system); en TMS enhet med en siffra-of-åtta spole och stereotaktisk lokalisering utrustning; VR headset och tillhörande dator och programvara; och en anpassad synkroniseringskrets. Figur 1 visar schematiskt anslutningen mellan protokollkomponenterna.

1. Anslutning av systemkomponenter
   1. Anslut EMG förförstärkare till huvudförstärkaren.
   2. Anslut utgången från EMG förstärkaren till DAQ inspelningsutrustning ingångsblock använder BNC eller liknande Anslutationer.
   3. Anslut DAQ färdskrivare dedikerad dator som kommer att utföra ett datainsamlings skript (kompletterande fil).
   4. Anslut VR styrdator parallell utgång till anpassade kretsenhet (se nästa avsnitt för mer information).
   5. Anslut synkronisering och motion capture utlöser utgångar från egna krets till DAQ inspelningsblock tillsammans EMG signalanslutningar.
   6. Split motion capture-trigger och anslut den till "Analog Input Start" port på EMG DAQ utrustning samt trigger anslutning på datorn som styr motion capture utrustning.
      Obs: Den tidsmässiga skillnaden mellan början av respektive datainsamlingsströmmar för den beskrivna utrustningen (motion capture och EMG) kan variera från 160 till 190 msek. Denna tidsskillnad motiverade utformningen av synkroniseringskretsen beskrivs i detta protokoll och sannolikt orsakas av mjukvara och hårdvara skillnader mellan dessa två system.
   <li> Anslut TMS utlösa porten på anpassade kretsenhet till BNC ingång trigger på TMS-styrenheten.
   7. Upprätta nätverksanslutning mellan VR och motion capture datorer med leverantörs medföljande programvara och fysiska nätverksanslutningar.
   8. Anslut VR headset till VR dator och säkerställa kompatibilitet med alla skript / program som visar virtuella miljöer till deltagarna.

Figur 1:. Anslutningar för hela installationen Denna layout beskriver den allmänna anslutningen mellan elementen i vårt system. Synkroniseringskretsen beskrivs på annat håll i texten mer i detalj. Den blå kurvan motsvarar den signal som startar både motion capture och EMG dataströmmar. Denna händelse är källan till den tidsmässiga förseningar på upp till 190 msek med hjälp av utrustning som beskrivs i detta protokoll. Den röda kurvan motsvarar VR initierade synchronization händelse som samtidigt registreras av motion capture och EMG-system och därefter används för tids inriktning av respektive dataströmmar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Allmänna Uppgifter om Systemintegration och synkronisering

Obs: Synkronisering av de separata datainsamlingssystem i detta protokoll (motion capture och EMG) åstadkoms genom användning av en händelsesignal som är gemensam för alla inspelningsströmmar. Med hjälp av en vanlig händelse, alla signaler kan temporärt uträtad efter datainsamling för att minimera realtid inspelning avvikelser (uppemot 190 msek använder utrustningen i detta protokoll). I detta protokoll har sitt ursprung den gemensamma signal från VR-systemet som en parallellport signal. Den gemensamma signalen leds till en krets som medger synkronisering av separat dataströmmar genom direktinspelning med EMG signaler genom att samtidigt stänga en motion capture LED. Kretsen är konstruerad med användning av grundläggande verktyg och tekniker för att bygga elektroniska komponenter, liknande kretsar beskrivs på annan plats ^9.

1. Design, Layout och konstruktion av Synkronisering Circuit
   1. Identifiera eventuella analoga TTL-baserad utlösande mekanismer för utrustning styrenheter (t.ex. TMS, motion capture) och bli bekant med utlösande krav såsom TTL puls riktning (positiv / negativ) och amplitud. Analoga utlösande mekanismer har ofta gemensamma "BNC" koaxialkontakter som gör anslutnings komponenter enkelt.
   2. Tillsätt en ytterligare lysdiod till motion capture system som skall användas för synkroniseringssignal; Dra lysdioder ledningarna genom synkroniseringskretsen (Figur 3).
   3. Bestäm parametrarna elektriska komponenter (dvs. resistans, kapacitans) som krävs för att TURn av synkroniserings LED för en viss tid. Hitta den tid som kretsens synkronisering LED avstängd av ekvationen: t = 1,1 * R1 * C1. Den här gången föreslås att vara lägre än den genomsnittliga löptiden för en experimentell rörelse. Till exempel den för närvarande beskrivna experimentet krävde ett motstånd och en kondensator betyget vid approximativt en megaohm och en mikrofarad, respektive.
   4. Använd en lödkolv för att vidhäfta elektriska komponenter till en tryckt "protoyping" eller "projekt" kretskort följer schemat som visas i figur 3 Inne denna krets i en allmänt tillgänglig plast "projekt" låda.; Det kommer sannolikt att bli nödvändigt att borra hål i den här rutan för BNC-kontakter. Kretsen kan lätt drivas med 5 V USB-ström från en stationär dator; det kommer att vara nödvändigt att dekonstruera en USB-kabel för att isolera ström- och jordledningar. Bypass kondensatorer kan också behövas för att reglera strömmen till 555chip (ej visad i figur 3).
   5. Inspektera kretskort för eventuella oavsiktliga löda broar mellan elektriska komponenter. Om den hittas, ta bort lod med en sugverktyg eller värma lodet och mekaniskt avlägsna brygganslutning.

Figur 2:. Trial flödesschema Detta flödesschema beskriver stimulans och signal händelser som inträffar under en typisk experimentförsöket som inkluderar TMS stimulering. Parallellport koder som inträffar under en rättegång visas i DB25 schematiska symboler (ljusblå).

2. Synkroniserings Detaljer
   1. Med användning av ett flödesschema liknande fig 2, bestämma när enskilda apparater bör utlösas under en experimentell rörelse. Exempelvis kan en del utrustning vara individuellt aktiveras, medan andra kan samtidigt utlösas. Vid tidpunkter som kräver utlösande eller signalering (t.ex. blå parallellport symboler i figur 2), avgöra vilka parallellportar signalledningar att använda och införliva dem i VR-systemet. Detta åstadkommes genom att sända numeriska värden till den parallella porten vid de specificerade tidpunkter under rörelser, varje rad representerar en binär siffra. För mer information om parallellport baserad signalering, hänvisas till diskussion.

Figur 3:. Synkronisering Circuit Denna schematiska visar layouten för vår egen synkroniseringskrets. Standard utgången på NAND-grinden är en högspänningstillstånd; denna spänning utsignal sänds till styret hos en transistor genom vilken synk LED krets dirigeras. Denna standardläge gör kretsen sluten, som håller lampan i en upplyst tillstånd. Vid mottagning av en synkroniserings trigger parallellport signal (röd spår i infälld), en inre tillstånd av 555 enheten vänt gör utgången i ett högt tillstånd, stänga av LED (blå spår). När detta inträffar spänningen på C1 (grön spår) byggs upp till en spänning som återställer den interna tillståndet i 555, reaktivera lysdioden. Parallellporten synktriggsignalen är också direkt dirigeras till en BNC-kontakt som är ansluten till TMS inmatningstriggersporten. Obs: Riktningen för denna triggsignal kan behöva vändas (från positive till negativ pågående eller vice versa) beroende på utredarens specifika krav på utrustning. Tillägget av en "växelriktare" chip på denna utgång skulle lätt utföra denna uppgift. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. Experimentella förfaranden

1. Säkerhetsrutiner och informerat samtycke
   1. Ensure att alla experimentella förfaranden godkänns av en Institutional Review Board (IRB). Förklara alla förfaranden för deltagarna och skaffa informerat samtycke med IRK godkänd dokumentation.
   2. Efter förvärvet informerat samtycke, genomföra en grundläggande TMS säkerhets screening med deltagarna för att säkerställa att de inte har tinnitus, en familjehistoria av epilepsi eller kramper eller andra tillstånd med förhöjda risker för anfall.
   3. Under TMS stimulering, strikt kräver användning av skyddande öronproppar för att undvika hörselskador.
2. Elektromyografi Collection
   1. Beroende på de vetenskapliga målen för läsarens undersökning avgöra från vilken arm muskler att spela EMG signaler. För studien beskrivs i detta protokoll, vridmoment genereras vid axel och armbåge under förflyttning undersöktes. Således, inspelad EMG signaler kom från de stora ytliga muskler som verkar på dessa två leder, såsom deltoideus, pectoralis, biceps, triceps, och brachioradialis.
   2. Gör alla nödvändiga elektriska anslutningar mellan olika EMG utrustning inklusive förstärkare, förförstärkare, sensortrådar och sensordynoma enligt tillverkarens specifikationer genom att ansluta matchande kontakter.
   3. Förbered varje elektrod plats genom att lätt rengöra den med en tuss, ta bort någon överdriven hår med en rakkniv, och genom att tillämpa en mild slip gel. Korrekt förberedelse webbplats garanterar konsekventa och låga elektrod mot huden impedansvärdena (<10 kohm) och höga signal-brusförhållande av inspelade EMG-signaler.
   4. Har ämnen utför isometriska sammandragningar som syftar till att isolera enskilda muskler av intresse baserat på accepterade anatomiska och biomekaniska beskrivningar ^10. Till exempel, för att isolera biceps, be deltagaren att motstå en påtvingad förlängning av armbågen.
   5. Efter att ha individer utföra muskelisolerande sammandragningar, anbringa differential bipolära EMG elektroder över den tjockaste, centrala Portipå, eller "mage", för varje muskel på accepterade platser ^11. Detta garanterar täckning av ett maximalt antal muskelfibrer och minimerar "överhörning" mellan grann muskler. Var noga med att rikta de bipolära elektrodernas längsta axlar längs musklerna, parallellt med fibrerna.
   6. Fäst EMG jordelektroden enligt utrustning specifikationer (t.ex. huden över C7 kota).
   7. Spela förstärkta EMG signaler via DAQ utrustning som omfattas av en egen dator skript. Skriptet som används i det nuvarande protokollet bifogas som en kompletterande fil.
   8. Justera vinster tillämpas på inspelade signaler till önskad nivå genom att flytta rattar på EMG förförstärkare. Undvik förstärkningsvärden som orsakar inspelade signaler överstiga inspänningsområde av färdskrivaren (typiskt 5V). Gemensamma EMG förstärkningsvärden är mellan 1,000-4,000.
   9. Utföra liknande isometriska sammandragningar de som utförs i steg 3.2.4 och visuellt inspektera EMG signals att säkerställa att de är av hög kvalitet (dvs. hög signal-brusförhållande). Flytta elektroder och ändra signalförstärkningen vid behov.
3. Motion Capture System Preparation
   1. Kalibrera motion tracking kameror med leverantörs medföljande instruktioner och utrustning enligt tillverkarens anvisningar.
   2. Med tejp och andra förpackningsmaterial, bifoga aktiva LED sensorer för beniga sevärdheterna i närheten av lederna i armen och andra anatomiska platser av intresse som används i konstruktionen av biomekaniska modeller: den distala falangen av pekfingret, radiella och ulnar styloid processer på handleden , olecranon processen på armbågen, coracoid och acromion processer axeln, sternoclavicular notch, xiphoid process och ryggkotornas process C7. Bifoga en annan LED till VR headsetet för att ställa synvinkel i den virtuella miljön.
   3. Anslut varje lysdiod till ett kabelnät som är ansluten till den trådlösa drivenhet. Slå på förar unden och säkerställa en korrekt belysning av alla lysdioder.
   4. Placera synkroniseringen lysdioden i ett bra läge bort från motivet, men inom klar bild av kamerorna.
4. Transkraniell magnetisk stimulering Stereotaxic Lokalisering
   1. Kalibrera hårdvara och programvara som utformats för TMS registrering ^12, för att möjliggöra noggrann spole placering. Detta innebär i allmänhet co-registrering TMS spolar med anatomiska landmärken som nasion, preaurikulär punkter, och näsa spets. Stereotaktisk registrering mellan en deltagare och stimulans polen är en integrerad del av konsekvent stimulering lokalisering.
5. MEP Hot-spot Lokalisering och MEP Tröskeln Pprocedures
   1. Utför så kallade "hot-spot" tekniker för att lokalisera TMS-känsliga regionerna av cortex som producerar de största amplituden parlamentsledamöterna med den lägsta tröskeln vid stimulering ^8,13,14. Transkraniell magnetisk stimulering för att studera motorsystem typisktinnebär att stimulera en kortikal område som styr rörelsen i en viss kroppsdel ​​(t.ex. arm och hand) ^15.
   2. Anteckna platsen för några ideal stimuleringsställen på deltagarnas hårbotten med den kalibrerade stereotaxic registreringsutrustning och tillhörande programvara. Efter varje position registreras med programvaran, se dess riktighet genom att flytta platsen och stimulerande igen, letar efter liknande el- och vvs-svar.
6. Behavioral uppgift i Virtual Reality
   1. Designa parametrarna för beteende uppgiften (t.ex. gående rörelser) som skall användas i experimentet. I den aktuella studien, är uppgiften att nå till virtuella mål placerade sekventiellt i olika rumsliga platser. Storleken av målen definierar den noggrannhet med vilken deltagarna flytta. Designa rörelserna så att olika riktningar och magnituder av gemensamma vridmoment är framkallade som deltagare nå för målen.
   2. Ställ in VR-miljö som väglederämnen genom beteende uppgift med hjälp av kommersiell VR programvara som är kompatibel med headsetet och motion tracking system enligt tillverkarens protokoll. Bekanta dig med programvaran paketets krävs beräkningsresurser och krav programmeringsspråk. Gemensamma VR programvarupaket har förmågan att programmeras med språk, inklusive Python, C ++, C #, och andra. Dessutom, program analoga utgångar via parallellporten för synkronisering och märkning av specifika händelser av intresse (Figur 2). I den aktuella experimentet, matar VR programvaran händelser i början av varje repetition av uppgiften och ibland med önskad TMS stimulering.
   3. Anslut VR utgången till synkroniseringskretsen (fig 3) och / eller den andra utrustningen som skall synkroniseras med hjälp av kablar med matchande kontakter.
   4. Instruera patienter att utföra VR beteende uppgiften. I den aktuella studien, var VR-miljöpresenteras med hjälp av en huvudmonterad display där deltagarna visade uppsättningar av sfäriska mål. Med hjälp av VR programvara, programspecifika rörelsesekvenser genom att ändra utseendet på mål (färg, placering, etc.) och bekanta deltagarna med dessa åtgärder. Dessutom informera deltagarna om eventuella andra önskade begränsningar rörelse. Till exempel fick deltagarna i den aktuella studien ombedd att hålla alla armsegmenten i ett vertikalt plan av rörelse medan vi når målen.
   5. När deltagarna är vana vid data experimentella rörelser, spela in EMG och motion capture, och synkroniseringssignaler med anpassade skript eller leverantörs medföljande programvarupaket. Justera samplingshastigheten för varje datainsamlingssystem till önskade värden; dessutom bli bekant med och justera eventuella tillverkarspecifika parametrar såsom rörelse tracking LED intensitet.

Representative Results

Synkronisering av de många dataströmmar i denna inställning gör att man kan spela in kinematik, kontinuerlig muskelaktivitet (EMG), och momentana neuromuskulär aktivitet (ledamöter) som inträffar under rörelser övre extremiteten. Upprepade försök med en viss rörelse krävs för att rekonstruera el- och vvs-responsprofiler över en hel rörelse. Figur 4 visar data som samlats in från ett ämne. Figur 4A visar ett exempel på dessa dataströmmar under en enda rättegång med motsvarande synkroniseringssignalerna och evenemang. Temporal inriktning av signaler med avseende på synkroniserings händelsen är en enkel post hoc procedur med användning av signalanalysmjukvara (signalerna "skiftas" i tiden med hjälp av synkroniserings händelse som en gemensam tidsmässig ankare). Signaler kan då vara tidsnormaliseras genom varaktigheten av varje rörelse rättegång. Utan synkronisering kan EMG och motion capture dataströmmar har en tids diskrepans som gräta så 160-190 ms. Men genom att använda synkronisering utöver ofta används TTL-signalering, bör användare förväntar sig att minimera tids fel mellan dataströmmar till gränsen för samplingsfrekvenser på deras signaler (cirka en ms i detta exempel). Figur 4B visar genomsnittliga vinkel kinematik och dynamik över 24 prövningar för en enda rörelse, den långa huvudet av biceps EMG profilen från försök utan TMS under samma rörelser, och motsvarande rekonstruerade MEP profiler från försök med enstaka puls TMS under rörelse till samma mål.

Figur 4:. Anpassning av EMG och Motion Capture (A) Representativa signaler som registrerats under en experimentell försöks visas i den vänstra kolumnen i diagram. De blå och röda cirklar motsvarar samma VR genererade synkroniserings händelsen registreras av två Separate delar av utrustning (illustreras genom att dividera svart linje). Dessa tidpunkter och respektive data senare tidsmässigt linje med hjälp av kundanpassad programvara. Skillnaden mellan dessa två tidpunkter kan vara uppemot 190 ms använde när du använder den utrustning som beskrivs i detta protokoll; andra forskare som använder olika utrustning kan uppleva olika fördröjningar. (B) Efter tids inriktning genomsnitt data kan skapas för att beskriva fysiologiska, kinematisk, och dynamiska egenskaper hos en rörelse. Dessa data representerar 24 försök med samma rörelse; staplarna på Bicep ledamöter grafen och skuggade områden på andra grafer representerar standardavvikelse. Dessa uppgifter kan sedan användas för att beskriva potentiella fallande motorstyrsignaler med avseende på muskelaktivitet och rörelse kinematik och dynamik.

Discussion

Syftet med denna artikel är att beskriva en metod för att införliva VR i studiet av mänsklig rörelse och en metod för synkronisering av olika dataströmmar. Virtual Reality kommer att utöka kapaciteten hos forskare som försöker återskapa verkliga rörelse scenarier i laboratoriemiljö. Kombinera VR med andra neuromuskulära inspelning och stimulansmetoder bildar en kraftfull uppsättning verktyg för omfattande studera mänskliga motorkontrollmekanismerna. De resulterande flerdimensionella datamängder som erhållits under minutiöst utformade experiment kan fördjupa vår förståelse av det neurala kontroll av förflyttningar.

En av de viktigaste inslagen i detta system är möjligheten att synkronisera elektrofysiologiska och motion capture dataströmmar med gemensamma VR-genererade händelser. Den anpassade kretsen beskrivs i detta protokoll fungerar som en flexibel, kostnadseffektiv grund som kan ändras för att uppfylla de unika kraven i andra experimental paradigm och utrustning, liknande lösningar på andra områden ^9. Den gemensamma synkroniserings händelse är en parallell utgång kommando som kommer från datorn som driver vår VR programvara. Fördelarna med en standard parallell gränssnitt är dess enkelhet, snabbhet och flexibilitet. Inom ett parallellt gränssnitt finns åtta oberoende dataledningar, var och en representerar en binär siffra från 2 ^{0-2 7;} summan av dessa siffror kan vara lika en nummerserie från 0 till 255. Var och en av de respektive datalinjer kan utnyttjas som separata och samtidiga utlösarsignaler för att samverka med ett flertal system. Dessa utlösarsignaler är oftast enkla fyrkantspänningssignaler, som vanligtvis kallas TTL-signaler eller pulser.

Under en rörelse rättegång, är den gemensamma synkroniserings händelsen initierade baserat på en deltagares läge i en virtuell miljö spåras med hjälp av en infraröd LED-baserad motion capture-system. Synkroniseringenhändelsesignal (TTL) från vår VR programvara dirigeras till den egna kretsen som är utformad för att samtidigt sända VR synkroniserings händelsen till våra EMG uppgifter och motion capture strömmar (Figur 3). EMG-systemet registrerar TTL puls med pågående muskelaktivitet. VR-signalen också dirigeras genom den aktiva delen av kretsen, som styr strömförsörjningen till en LED från rörelse capture-system. Efter att ha mottagit TTL puls, är återdragna LED avstängd under en kort tid. Denna händelse registreras av motion capture-system och är tidsmässigt synkron med TTL puls registreras av EMG-systemet. Denna händelse kan därefter användas för att anpassa signaler för analyser.

Den aktiva delen av kretsen (schema visas i figur 3) är huvudsakligen baserad på en specifik integrerad krets (IC) eller "chip", allmänt känd som en "555 timer krets" ^16. Utsignalen från 555tidskretsen (normalt en låg spänning) ingår ett NAND (förnekas AND) grinden tillsammans med en konstant spänning från USB-ström. En NAND-grind är en elektrisk logikkomponent som matar ut ett lågt värde (dvs. 0 V), när de två ingångarna är höga (t ex skenspänningen). Den infällda bilden i figur 3 detaljer driften av vår krets vid mottagning av en synkroniseringshändelsesignal. Varaktigheten att kretsen stänger av lampan beror på värden som används för R1 och C1, och hittades av ekvationen: t = 1,1 * R1 * C1. De för närvarande beskrivna experiment krävs resistans och kapacitans värden av en megaohm och en mikrofarad, respektive, för att producera synkronisering ljus passivitet kortare än varaktigheten av en typisk rörelse (ungefär en sekund för denna design).

Den nuvarande protokollet metod för synkronisering har många fördelar jämfört med kommersiellt tillgängliga alternativ. De kretskomponenter och verktyg som krävs för dessssembly är lätt tillgängliga på elektriska komponentleverantörer för minimal kostnad ^9. Dessutom, en enkel hårdvarubaserad lösning för synkronisering kan praktiker att lättare felsöka problem som kan uppstå under laborationer. Slutligen, genom att använda ganska ubiquitous TTL-signalering, en kan lätt anpassa sig till nya experimentella konstruktioner som utnyttjar olika metoder och utrustning (t.ex. EEG). En potentiell nackdel med den multifunktionella system som beskrivs i detta protokoll är komplexiteten av experimentella uppställningar med många datainsamlingssystem. Detta kan resultera i långa experimentella sessioner, deltagare trötthet, och flera möjligheter för systemfel. Praktiker kan minimera problemen genom att utforma koncisa experimentella paradigm som syftar till att undersöka mycket specifika neuromuskulära fenomen.

Kretsen och övergripande synkroniseringsproceduren genomförs i detta protokoll syftar till att ge generaliserbara guidelines för att utföra biomekaniska experiment med flera, samtidigt inspelade dataströmmar. Protokollet beskriver förfaranden för att synkronisera dataströmmar från någon utrustning med analoga ingångar eller triggers eller LED-signaler. Dock kommer utredarna använder passiva motion tracking system utan LED, sannolikt tvungna att ändra den nu beskrivna lösningen. System med passiv motion capture och annan inspelnings och stimulerande utrustning som digitalt utlöses inte kommer att behöva förlita sig på synkroniseringskretsen. I stället skulle sådana system förlitar sig på egna mjukvarubaserade lösningar, kan utformningen av vilken framgår av exemplet med det nuvarande systemet. Således tillhandahåller protokollet generaliserbara principer för att hjälpa utforma lösningar för andra unika scenarier.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Transcranial magnetic stimulator	Magstim	N/A	TMS stimulator and coils
Impulse X2	PhaseSpace	N/A	Motion capture system
MA300 Advanced Multi-Channel EMG System	Motion Lab Systems	MA300-28	EMG pre-amplifier and amplifier
Norotrode EMG electrodes	Myotronics	N/A	EMG electrodes
BNC-2111 Single-Ended, Shielded BNC Connector Block	National Instruments	779347-01	BNC Connector Block
NI PXI-1033 5-Slot PXI Chassis with Integrated MXI-Express Controller	National Instruments	779757-01	DAQ chassis
NI PXI-6254 16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 Analog Inputs	National Instruments	779118-01	DAQ card
SHC68-68-EPM Cable (2m)	National Instruments	192061-02	Shielded cable
DK1 or DK2	Oculus VR	N/A	Ocuclus Rift headset
Vizard 5 Lite	WorldViz	N/A	Virtual reality software
C1 and C2 capacitors	varied	N/A	Adjust values to suit
R1 and R2 resistors	varied	N/A	Adjust values to suit
CD4011 NAND gate	varied	N/A	NAND gate
2N2222 transistor	varied	N/A	Transistor
NE555 timer circuit	varied	N/A	Timer circuit
DB25 and USB connectors	varied	N/A	parallel and USB connectors