Analisi Video frame-by-Frame di idiosincratici Reach da afferrare movimenti in esseri umani
Summary
Questo protocollo descrive come utilizzare analisi video frame-by-frame per quantificare idiosincratici portata da afferrare movimenti in esseri umani. Un’analisi comparativa delle raggiungendo nel avvistato contro adulti sani non vedenti viene utilizzato per illustrare la tecnica, ma il metodo può essere applicato anche allo studio di popolazioni cliniche e di sviluppo.
Abstract
Prensione, l’atto di raggiungere per afferrare un oggetto, è fondamentale per l’esperienza umana. La usiamo per nutrirci, sposo di noi stessi e manipolare oggetti e strumenti nel nostro ambiente. Tali comportamenti sono danneggiati da molti disturbi sensitivo-motorie, eppure la nostra comprensione corrente del loro controllo neurale è lungi dall’essere completo. Tecnologie attuali per inquirenti umani portata da afferrare movimenti spesso utilizzano i sistemi che possono essere costosi, richiedono il collegamento di sensori o marcatori alle mani, ostacolare i movimenti naturali e feedback sensoriale e fornire cinematica di tracciamento del movimento output che possono essere difficili da interpretare. Mentre generalmente efficace per studiare i movimenti stereotipati portata da afferrare di adulti sani avvistati, molte di queste tecnologie affrontare ulteriori limitazioni quando si cerca di studiare i movimenti di portata da afferrare imprevedibili e idiosincratici di neonati, adulti non vedenti e pazienti con i disordini neurologici. Così, vi presentiamo un protocollo romanzo, poco costoso e altamente affidabile ma flessibile per quantificare la struttura temporale e cinematica di idiosincratici portata da afferrare movimenti in esseri umani. Videocamere ad alta velocità catturare più visualizzazioni del movimento portata da afferrare. Analisi video frame-by-frame viene quindi utilizzato per documentare la tempistica e la grandezza degli eventi comportamentali pre-definiti come inizio movimento, collezione, altezza massima, apertura di picco, primo contatto e stretta finale. La struttura temporale del movimento è ricostruita da documentare il numero di telaio relativo di ogni evento, mentre la struttura cinematica della mano è quantificata utilizzando la funzione righello o misura in software di editing fotografico per calibrare 2 dimensionale lineare Distanze tra le due parti del corpo o tra una parte del corpo e la destinazione. Analisi video frame-by-frame in grado di fornire una descrizione quantitativa ed esauriente dei movimenti di portata da afferrare idiosincratici e permetteranno ai ricercatori di espandere la loro area di indagine per includere una gamma maggiore di naturalistico prensile comportamenti, guidati da una più ampia varietà di modalità sensoriali, sia sano e clinici popolazioni.
Introduction
Prensione, l’atto di raggiungere per afferrare un oggetto, è utilizzato per molte funzioni quotidiane, tra cui l’acquisizione di prodotti alimentari per mangiare, toelettatura, manipolazione di oggetti, armati di strumenti e di comunicare attraverso il gesto e parola scritta. La teoria più importante relative al controllo di neurobehavioral di prensione, il Dual Channel Visuomotor teoria1,2,3,4, propone tale prensione è costituita da due movimenti – una portata che trasporta la mano nella posizione del bersaglio e una conoscenza che apre, forme e chiude la mano alle dimensioni e alla forma del bersaglio. I due movimenti sono mediati dai percorsi neurali dissociabili ma interagenti da visual alla corteccia di motore tramite il lobo parietale1,2,3,4. Supporto comportamentale per la teoria di Visuomotor Dual Channel è stato ambiguo, in gran parte a causa del fatto che il movimento di portata da afferrare appare come un unico atto senza giunte e si svolge con poco sforzo cosciente. Ciò nonostante, prensione è quasi sempre studiato nel contesto della prensione visivamente guidati in cui un partecipante sano raggiunge per afferrare un oggetto di destinazione visibile. In queste circostanze l’azione visualizzata come un singolo movimento che si svolge in modo prevedibile e stereotipata. Prima dell’inizio di raggiungere gli occhi fissano sul bersaglio. Come il braccio si estende le cifre aprire, preshape alla dimensione dell’oggetto e successivamente iniziano a chiudere. Gli occhi disinserire dalla destinazione appena prima del contatto con destinazione e stretta finale del target segue quasi immediatamente in seguito5. Quando viene rimossa la visione, tuttavia, la struttura del movimento è fondamentalmente diversa. Il movimento si dissocia nei suoi componenti costitutivi, tale che una portata a mano aperta viene utilizzata innanzitutto per individuare la destinazione toccando esso e poi aptici spunti associati guida contatto destinazione sagomatura e chiusura della mano per afferrare il6.
Quantificazione del movimento portata da afferrare più spesso è ottenuta utilizzando un sistema di rilevamento di moto tridimensionale (3D) 3. Questi possono includere sistemi di rilevamento a raggi infrarossi, elettromagnetici, sistemi di monitoraggio, o dei video basato su sistemi di tracciamento. Mentre tali sistemi sono efficaci per l’acquisizione di misure cinematiche di prensione a partecipanti adulti sani eseguendo movimenti stereotypical portata da afferrare verso gli oggetti di destinazione visibili, hanno una serie di svantaggi. Oltre ad essere molto costosi, questi sistemi richiedono il collegamento di sensori o marker sul braccio, mano e cifre del partecipante. Questi sono solitamente fissati utilizzando nastro medico, che può ostacolare il feedback tattile dalla mano, alterare il naturale comportamento motorio e distrarre i partecipanti7. Come questi sistemi generalmente producono output numerici relazionati a diverse variabili cinematiche come accelerazione, decelerazione e velocità anche non sono l’ideale per indagare come la mano contatti il bersaglio. Quando utilizzando questi sistemi, sensori aggiuntivi o attrezzature sono necessari per determinare quale parte della mano rende il contatto con il bersaglio, dove sul bersaglio avviene il contatto, e come potrebbe cambiare la configurazione della mano ordine di manipolare l’obiettivo. Inoltre, sistemi di rilevamento a raggi infrarossi, che sono il più comunemente impiegate, richiedono l’utilizzo di una macchina fotografica specializzata per monitorare la posizione dei marcatori sulla mano in uno spazio 3D6. Ciò richiede una linea diretta di vista tra la fotocamera e i sensori sulla mano. Come tale, qualsiasi idiosincrasie nel movimento rischiano di oscurare questa linea di vista e causare la perdita di dati critici di cinematici. Esistono, tuttavia, un numero elevato di istanze in cui idiosincrasie nel movimento portata da afferrare sono in realtà la norma. Questi includono durante lo sviluppo iniziale, quando i bambini stanno imparando a raggiungere e afferrare oggetti; Quando l’oggetto di destinazione non è visibile e tattile stecche devono essere utilizzati per guidare la portata e la stretta; Quando l’oggetto di destinazione è un forma strana o texture; e quando il partecipante si presenta con uno qualsiasi di una varietà di disturbi sensitivo-motorie come un ictus, malattia di Huntington, morbo di Parkinson, paralisi cerebrale, ecc In tutti questi casi, il movimento di portata da afferrare non è né prevedibile né stereotipo, né è necessariamente guidati da visione. Di conseguenza, la capacità di movimento 3D sistemi di monitoraggio per quantificare in modo affidabile la struttura temporale e cinematica di questi movimenti può essere fortemente limitata a causa di interruzioni in feedback sensoriale dalla mano, cambiamenti nel comportamento del motore naturale, perdita di dati, e/o difficoltà di interpretazione dell’output cinematica idiosincratico da questi dispositivi.
L’articolo attuale descrive una nuova tecnica per quantificare idiosincratici portata da afferrare movimenti nelle diverse popolazioni umane che è conveniente, non ostacolano il feedback sensoriale dalla mano o il naturale comportamento del motore ed è affidabile ma può essere flessibilmente modificato per soddisfare una varietà di paradigmi sperimentali. La tecnica prevede l’utilizzo di più videocamere ad alta velocità per registrare il movimento di portata da afferrare da più angolazioni. Il video viene poi analizzato offline progredendo attraverso i fotogrammi video uno alla volta e utilizzando ispezione visiva per eventi comportamentali chiave documento che, insieme, forniscono una descrizione quantificata della organizzazione temporale e cinematico del reach-a-stretta movimento. L’articolo attuale descrive un’analisi comparativa di visivamente – versus nonvisually-Guida di movimenti di portata da afferrare in soggetti adulti sani6,8,9,10 , al fine di dimostrare l’efficacia della tecnica; Tuttavia, le versioni modificate della tecnica sono state utilizzate anche per quantificare le azioni di portata da afferrare dei neonati umani11 e12di primati non umani. I risultati completi di analisi video frame-by-frame da questi studi sono tra i primi a fornire prove comportamentali a sostegno della teoria di Visuomotor Dual Channel di prensione.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’articolo attuale descrive come utilizzare analisi video frame-by-frame per quantificare l’organizzazione temporale, struttura cinematica e un sottoinsieme di caratteristiche topografiche dei movimenti umani portata da afferrare. La tecnica può essere utilizzata per studiare movimenti di portata da afferrare visivamente guidati tipici, ma anche idiosincratici portata da afferrare movimenti. Tali movimenti sono difficili da studiare utilizzando sistemi di tracciamento del movimento 3D tradizionale, ma sono comuni in inf…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrei ringraziare Alexis M. Wilson e Marisa E. Bertoli per la loro assistenza con le riprese e preparando il video per questo manoscritto. Questa ricerca è stata sostenuta da scienze naturali e ingegneria Research Council of Canada (JMK, JRK, IQW), Alberta Innova-Health Solutions (JMK) e l’istituti canadesi di ricerca salute (IQW).
Materials
| High Speed Video Cameras | Casio | http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_f1/ or http://www.casio-intl.com/asia-mea/en/dc/ex_100/ | Casio EX-F1 High Speed Camera or Casio EX-100 High Speed Camera used to collect high speed video records |
| Adobe Photoshop | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/photoshop.html | Software used to calibrate and measure distances on individual video frames |
| Adobe Premiere Pro | Adobe | http://www.adobe.com/ca/products/premiere.html?sdid=KKQOM&mv=search&s_kwcid=AL!3085!3!193588412847!e!!g!!adobe%20premiere%20pro&ef_id=WDd17AAABAeTD6-D:20170606160204:s | Software used to perform Frame-by-Frame Video Analysis |
| Height-Adjustable Pedestal | Sanus | http://www.sanus.com/en_US/products/speaker-stands/htb3/ | A height adjustable speaker stand with a custom made 9 cm x 9 cm x 9 cm triangular top plate attached to the top with a screw is used as a reaching pedestal |
| 1 cm Calibration Cube | Learning Resources (Walmart) | https://www.walmart.com/ip/Learning-Resources-Centimeter-Cubes-Set-500/24886372 | A 1 cm plastic cube is used to transform distance measures from pixels to centimeters |
| Studio Light | Dot Line | https://www.bhphotovideo.com/c/product/1035910-REG/dot_line_rs_5620_1600w_led_light.html | Strong lamp with cool LED light used to illumate the participant and testing area |
| 3 Dimensional (3D) Sleep Mask | Kfine | https://www.amazon.com/Kfine-Sleeping-Contoured-lightweight-Comfortable/dp/B06W5CDY78?th=1 | Used as a blindfold to occlude vision in the No Vision condition |
| Orange Slices | N/A | N/A | Orange slices served as the large sized reaching targets |
| Donut Balls | Tim Hortons | http://www.timhortons.com/ca/en/menu/timbits.php | Old fashion plain timbits from Tim Hortons served as the medium sized reaching targets |
| Blueberries | N/A | N/A | Blueberries served as the small sized reaching targets |
References
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