Impostazione multifunzionale per lo studio di controllo del motore umano Utilizzando la Stimolazione Magnetica Transcranica, Elettromiografia, Motion Capture, e la realtà virtuale
Summary
Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.
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.
Protocol
Representative Results
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 da…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Referenzen
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