Видео анализ по кадрам своеобразных Reach хватка движений в организме человека
Summary
Этот протокол описывает использование анализа видео-кадра для количественного определения своеобразных досягаемости хватка движений в организме человека. Сравнительный анализ достижения в завизировано против неприцельный здоровых взрослых используется для того, чтобы продемонстрировать технику, но этот метод может применяться также к изучению развития и клинических групп населения.
Abstract
Захватывание, акт достижения понять объект, является центральным элементом человеческого опыта. Мы используем его для прокормить себя, жених себя и манипулировать объектами и инструменты в нашей среде. Такое поведение подорваны многих сенсомоторной расстройств, однако нашего нынешнего понимания особенностей их нейронных управления является далеко не полной. Современные технологии для расследования человеческой досягаемости хватка движений часто используют движения системы отслеживания, которые может быть дорогим, требуют вложения маркеров или датчики в руки, препятствуют естественного движения и сенсорной обратной связи и обеспечивают Кинематическая вывод, который может быть трудно интерпретировать. Хотя в целом эффективным для изучения стереотипных движений досягаемости хватка здоровым зрением взрослых, многие из этих технологий сталкиваются дополнительные ограничения при попытке исследование непредсказуемым и своеобразных движений досягаемости хватка молодые младенцы, неприцельный взрослых и пациентов с неврологическими расстройствами. Таким образом мы представляем роман, недорогой и надежный еще гибкий протокол для количественной оценки временных и кинематической структуры своеобразных досягаемости хватка движений в организме человека. Высокоскоростные видеокамеры захватить несколько представлений досягаемости для понимания движения. Затем-кадра видео анализ используется для документирования сроки и масштабы предварительно определенных поведенческих события, такие как движение начало, коллекции, максимальная высота, пик диафрагмы, первый контакт и окончательный ГРАСП. Временная структура движения восстанавливается путем документирования относительной кадра количество каждого события, в то время как кинематическую структуру руки количественно с помощью функции правителя или мера в фото редактирования программного обеспечения для калибровки 2 мерных линейных расстояния между двух частей тела или части тела и целевой объект. Анализ видео-кадра может обеспечить количественный и всеобъемлющее описание своеобразных досягаемости хватка движений и позволит исследователи расширить их области расследования включать более широкий диапазон натуралистический цепкий поведения, руководствуясь более широкий спектр сенсорных механизмов, популяции здоровых и клинических.
Introduction
Захватывание, акт достижения понять объект, используется для многих ежедневных функций, включая приобретение продуктов питания для еды, груминг, управление объектами, владеющий инструменты и общение через жест и написанное слово. Наиболее известных теории, касающиеся нейроповеденческих управления захватывание, двухканальной Visuomotor теория1,2,3,4, предлагает, что захватывание состоит из двух частей – достичь Это перенесет руку в расположение целевого объекта и ГРАСП, который открывает, фигуры и закрывает руку в размер и форму целевого объекта. Эти два движения являются опосредовано несовместимыми, но взаимодействующих нервные пути от visual для моторной коры через теменной доли1,2,3,4. Поведенческая поддержка двухканальной Visuomotor теория была неоднозначной, основном тем, что движение досягаемости хватка появляется как единый акт, бесшовные и разворачивается с маленькой сознательных усилий. Тем не менее захватывание почти всегда учился в контексте визуально руководствуясь захватывание, в котором здоровый участник достигает понять видимые целевой объект. В этих обстоятельствах действия отображаются в виде одного движения, которая разворачивается в предсказуемой и стереотипные мода. До начала досягаемости глаза фиксируют на цель. Расширяет руку цифры открыть, preshape на размер объекта, а впоследствии начинают закрывать. Глаза освободиться от целевого объекта только до целевых контактов и окончательный досягаемости цели следует почти сразу же после5. Когда удаляется зрение, однако, структура движения принципиально разные. Движение диссоциирует на его составные компоненты таким образом, что щедр досягаемости впервые используется для обнаружения цели, коснувшись его и затем тактильные сигналы, связанные с целевых контактов руководство формирования и закрытие руки понять6.
Количественная оценка охвата хватка движения наиболее часто достигается с помощью 3 системы отслеживания трехмерные (3D) движения. Они могут включать системы ИК слежения, электромагнитных систем, отслеживания или видео на основе систем слежения. Хотя такие системы являются эффективными для приобретения кинематической мер захватывание в здоровых взрослых участников, выполняющих стереотипных движений досягаемости хватка к видимых целевых объектов, они имеют ряд недостатков. Помимо того, очень дорого, эти системы требуют крепления датчиков или маркеры на руку, рука, а цифры участника. Эти элементы обычно прикрепляются с помощью медицинская лента, которая может препятствовать тактильной обратной связи от руки, изменить естественный моторное поведение и отвлечь участников7. Поскольку эти системы обычно производят численные вывода, относящиеся к различные кинематические переменных, таких как ускорение, замедление и скорости, они также не являются идеальными для расследования, как рука контакты целевой. Когда с помощью этих систем, дополнительные датчики или оборудование необходимо определить, какая часть руки делает контакт с целью, где на целевом контакт происходит, и как возможно изменение конфигурации руки в того, чтобы манипулировать целевой. Кроме того ИК отслеживания систем, которые являются наиболее часто занятых, требуют использования специализированной камеры для отслеживания расположения маркеров на руку в трехмерном пространстве6. Для этого требуется прямая видимость между камерой и датчики на руке. Таким образом любые особенности движения склонны скрывать эту линию визирования и привести к потере важных кинематической данных. Есть, однако, большое количество экземпляров, в которых особенности в досягаемости хватка движения являются на самом деле нормой. К ним относятся во время раннего развития, когда младенцы учатся просто достичь и понять для объектов; когда целевой объект не является видимым и тактильные сигналы должны использоваться для руководства досягаемости и ГРАСП; когда целевой объект является нечетным формы или текстуры; и когда участник представляет с любым из целого ряда сенсомоторной расстройств, таких как инсульт, болезнь Хантингтона, болезнь Паркинсона, ДЦП, и т.д. во всех этих случаях, досягаемости хватка движение является ни предсказуемой, ни стереотипные, ни она обязательно руководствуется видения. Следовательно возможность отслеживания систем 3D движения надежно определить временные и кинематической структуры этих движений может быть серьезно ограничены из-за перебоев в сенсорной обратной связи от руки, изменения в природных моторное поведение, потерю данных, и/или трудности интерпретации своеобразных кинематической вывода из этих устройств.
В настоящем документе описывается технология для количественной оценки своеобразных досягаемости хватка движений в различных человеческих популяций, доступным, не препятствовать сенсорной обратной связи от руки или природные моторное поведение и надежные, но может быть гибко изменено с учетом целого ряда экспериментальных парадигм. Этот метод предполагает использование нескольких высокоскоростных видеокамер для записи досягаемости хватка движение с нескольких точек зрения. Видео затем анализируется автономно прогрессирует через видео кадры один в то время и с помощью визуального осмотра документа ключевых поведенческих события, которые вместе обеспечивают количественных описание организации временных и кинематической охвата хватка движение. В настоящем документе описывается сравнительный анализ визуально – против перемещать руководствуясь досягаемости хватка движений в здоровых взрослых людей-6,–8,–9,–10 для того чтобы продемонстрировать эффективность техники; Однако модифицированные версии метода использовались также для количественной оценки охвата хватка действия человека младенцев11 и нечеловеческих приматов12. Среди первых поведенческих доказательства в поддержку двухканальной Visuomotor теория захватывание всеобъемлющие результаты анализа видео-кадра от этих исследований.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящий документ описывает использование анализа видео-кадра для количественного определения временной организации, кинематической структуры и подмножество топографических особенностей человеческой досягаемости хватка движений. Этот метод может использоваться для изучения тип…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Алексис м. Уилсон и Мариса E. Бертоли за их помощь с съемки и подготовка видео для этой рукописи. Это исследование было поддержано естественных наук и инженерных исследований Совет Канады (JMK, JRK, IQW), Alberta Innovates здравоохранения решения (JMK) и канадский институтов здравоохранения исследований (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
- Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Different evolutionary origins for the Reach and the Grasp: an explanation for dual visuomotor channels in primate parietofrontal cortex. Front Neurol. 4 (208), (2013).
- Whishaw, I. Q., Karl, J. M. The contribution of the reach and the grasp to shaping brain and behaviour. Can J Exp Psychol. 68 (4), 223-235 (2014).
- Jeannerod, M., Long, J., Badeley, A. Intersegmental coordination during reaching at natural visual objects. Attention and Performance IX. , 153-169 (1981).
- Arbib, M. A., Brooks, V. B. Perceptual structures and distributed motor control. Handbook of Physiology. 2, 1449-1480 (1981).
- De Bruin, N., Sacrey, L. A., Brown, L. A., Doan, J., Whishaw, I. Q. Visual guidance for hand advance but not hand withdrawal in a reach-to-eat task in adult humans: reaching is a composite movement. J Mot Behav. 40 (4), 337-346 (2008).
- Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Hand shaping using hapsis resembles visually guided hand shaping. Exp Brain Res. 219 (1), 59-74 (2012).
- Domellöff, E., Hopkins, B., Francis, B., Rönnqvist, L. Effects of finger markers on the kinematics of reaching movements in young children and adults. J Appl Biomech. 23 (4), 315-321 (2007).
- Karl, J. M., Sacrey, L. A., Doan, J. B., Whishaw, I. Q. Oral hapsis guides accurate hand preshaping for grasping food targets in the mouth. Exp Brain Res. 221 (2), 223-240 (2012).
- Karl, J. M., Schneider, L. R., Whishaw, I. Q. Nonvisual learning of intrinsic object properties in a reaching task dissociates grasp from reach. Exp Brain Res. 225 (4), 465-477 (2013).
- Hall, L. A., Karl, J. M., Thomas, B. L., Whishaw, I. Q. Reach and Grasp reconfigurations reveal that proprioception assists reaching and hapsis assists grasping in peripheral vision. Exp Brain Res. 232 (9), 2807-2819 (2014).
- Karl, J. M., Whishaw, I. Q. Haptic grasping configurations in early infancy reveal different developmental profiles for visual guidance of the Reach versus the Grasp. Exp Brain Res. 232 (9), 3301-3316 (2014).
- Whishaw, I. Q., Karl, J. M., Humphrey, N. K. Dissociation of the Reach and the Grasp in the destriate (V1) monkey Helen: a new anatomy for the dual visuomotor channel theory of reaching. Exp Brain Res. 234 (8), 2351-2362 (2016).
- Timmann, D., Stelmach, G. E., Bloedel, J. R. Grasping component alterations and limb transport. Exp Brain Res. 108 (3), 486-492 (1996).
- Saling, M., Mescheriakov, S., Molokanova, E., Stelmach, G. E., Berger, M. Grip reorganization during wrist transport: the influence of an altered aperture. Exp Brain Res. 108 (3), 493-500 (1996).
- Whishaw, I. Q., Faraji, J., Kuntz, J., Mirza Ahga, B., Patel, M., Metz, G. A. S., et al. Organization of the reach and grasp in head-fixed vs freely-moving mice provides support for multiple motor channel theory of neocortical organization. Exp Brain Res. 235 (6), 1919-1932 (2017).
