Name: force and position control in humans - the role of augmented feedback
Uploaded: 2016-06-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback at JoVE.com

The authors have no acknowledgements.

הפרוטוקול המתואר כאן בעקבות הנחיות של ועדת האתיקה של אוניברסיטת פרייבורג והיה בהתאם להצהרת הלסינקי (1964). .1 אישור אתי - הוראת נושא <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני הניסוי בפועל, להורות לכל הנושאים על מטרת המחקר וגורמי סיכון פוטנציאליים. כאשר פונים גירוי מגנטי transcranial (TMS), יש כמה סיכונים רפואיים לרבות כל היסטוריה של התקפים אפילפטיים, שתלי מתכת בעיניים ו / או ראש, מחלות של מערכת הלב וכלי הדם וההריון. אל תכלול כל נושא המאשרת לאחד מגורמי הסיכון הללו מהמחקר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כלול רק אנשים בריאים במחקר. אל תכלול אנשים עם כל מחלות נוירולוגיות, לחצו נפשיים ו / או אורתופדים. </li></ol> 2. נושא ההכנה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מיקום נושא <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במהלך הניסוי כולו, נושאי המושב על כיסא נוח. תקן את הראששל המשתתף באמצעות גבס מחבק את הצוואר, על מנת להבטיח מיקום ראש יציב והימנעות מכל תנועות הראש ביחס סליל TMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את זרועה הימנית של נושאים בתוך שאר הזרוע שהותקן כדי למזער תנועות של פרק כף היד. תקן את האצבע הימנית של הסובייקט סד רכוב על הזרוע של רובוט. יישר את ציר הסיבוב של זרוע הרובוט עם המפרק metacarpophangeal של יד ימין כך שמרכז משותף תואם את מרכז הסיבוב של הרובוט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקלטות חיל <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדדו את הכוח המופעל על ידי נושאים על ידי torquemeter רכוב בזרוע הרובוט למדוד את המיקום של זרוע הרובוט (המקביל לתפקיד האצבע המורה) על ידי פוטנציומטר המחובר לציר הסיבוב של הרובוט 22. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אלקטרומיוגרפיה (EMG) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להשתמש בתצורה דו-קוטבית של אלקטרודות משטח למדוד תגובות אלקטרו שהושרו על ידי TMS וכן musculaהפעלת r המיוצר על ידי הנבדקים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפני הצמדת אלקטרודות על העור על הגב הראשון interosseus שריר (FDI) ואת החוטף pollicis brevis (APB) של יד ימין, לגלח את העור של נושאים, ולאחר מכן מעט לשפשף אותו באמצעות נייר זכוכית או abrading ג&#39;ל ולחטא אותו עם propanol . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בעקבות זאת, לצרף אלקטרודות EMG דביקה על העור מעל בוטן השריר של FDI ו APB. מניחים אלקטרודה התייחסות נוספת על olecranon מאותו הזרוע. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבלים לחבר את כל האלקטרודות למגבר EMG וכדי ממיר אנלוגי-דיגיטלי. להגביר את האותות EMG (x 1,000), מסנן bandpass (10 - 1000 הרץ) מדגם ב 4 קילוהרץ. אחסן את אותות EMG לניתוח מחובר. </li></ol></li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בשמיניות סליל מחובר ממריץ TMS כדי לעורר את השטח ביד קליפת המוח המוטורי הנגדי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מצא את המיקום האופטימלי של יחסי הסליל לקרקפת עבור לעוררמנוע פוטנציאלים (חברי פרלמנט אירופיים) בשריר FDI ידי תהליך מיפוי: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניח את הסליל כ 0.5 סנטימטר קדמי קדקוד מעל קו האמצע עם הידית מצביעה על 45 מעלות ביחס נגד כיוון שעון כדי מטוס sagittal, גרימת זרימה קדמית-אחורית של הזרם במרכז הסליל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בהתחלה לבחור גירוי קטן (למשל, מתחת ל -30% פלט ממריץ מקסימלית, MSO) עוצמת להביא את הנבדקים רגילים פולסים מגנטיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בהמשך לכך, להגביר את עוצמת הגירוי בצעדים קטנים, למשל 2 - 3 פלט ממריץ% מקסימום (MSO) ולהעביר את סליל במוח הקדמי-מקורי כיוון מדיו-צדדיים כדי למצוא את האתר האופטימלי (hotspot) עבור מגרה את FDI שְׁרִיר. הנקודה החמה מוגדרת כמקום שבו חבר הפרלמנט אירופאי הגדול ביותר ניתן לצפות בכל עוצמת גירוי נתונה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר מציאת הנקודה החמה FDI, לקבוע נח סף מנוע (MT) כמו minimuעוצמת מ נדרש כדי לעורר אמפליטודות השיא אל שיא MEP של EMG גדול מ -50 מיקרו-וולט בשלושה מתוך חמישה משפטים רצופים 18. בדוק את גודל חברי הפרלמנט האירופי המוצג באינטרנט על מסך המחשב. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לאחר לעורר חברי פרלמנט אירופיים עם 1.0 * MT, כל זמן להקטין את עוצמת הגירוי של מכונת TMS בצעדים של 2% MSO עד MEP לא ניתן עוד ציין לדיכוי EMG של פעילות השרירים המתמשכת מתברר. הערה: כדי לתאר את דיכוי EMG מושרה TMS יש צורך להחיל מספר גבוה של גירויים (ראה סעיף 5. &quot;עיבוד נתונים&quot;) </li></ol></li></ol> מצגת משוב 3. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחלקים את המשתתפים לשלוש קבוצות (PF, FF, CON). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדרך נושאים מקבוצת משוב מיקום (PF) ב מחצית הניסויים כדי לקבל משוב על המיקום של אצבע המורה (משוב מיקום) בעת הזזת האצבע על ידי לחיצה כנגד המכשיר רובוטי. &lt;/ Li&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> במחצית השנייה של הניסויים, להורות מקצועות לקבל משוב על הכח ליישם תוך הזזת המכשיר רובוטית (משוב כוח). הערה: במציאות, לעומת זאת, הם תמיד מקבלים את אותה משוב (פידבק). מיקום </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדרך נושאים מקבוצת משוב כוח (FF) לקבל משוב כוח לשתיים של הניסויים ולקבל עמדת משוב גם בחצי השני. הערה: למעשה, קבוצה זו מסופקת אך ורק עם משוב כוח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אין להורות בקבוצת הביקורת (CON) על מקור המשוב. הערה: קבוצת הביקורת מקבלת לכפות משוב במחצית אחת של הניסויים ומשוב עמדה גם בחצי השני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אקראי לשנות את סדר הפגישות, כלומר, אם ניסויים להתחיל עם משוב כוח או עמדה, בכל הקבוצות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ראייה להציג את הכוח ואת משוב המיקום על גבי מסך המחשב ניצב 1 מ &#39;מול הנושאים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בכל מצב, להציג קו יעד מתאים30% מהכח מהרצון של הנושא מקסימאלי פרט, או זווית האצבע של אצבע המורה על 30% התכווצות מרצון מקסימאלי (MVC), על מסך המחשב ולהנחות את הנושא כדי להתאים את קו המטרה ככל האפשר. </li></ol> 4. חיל איזומטרי מרבי <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אחרי הנושא מוכן (EMG), לבצע שלוש התכווצויות מרצון מקסימלית איזומטרי (MVC), מורכב עלייה הדרגתית כוח איזומטרי מאפס למקסימום במשך תקופת 3 שניות זמן ואת הכח המקסימאלי החזיק למשך 2 שניות 20,21. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מילולית לעודד את הנושא כדי להשיג מקסימום כוח. לאחר כל ניסוי, לאפשר הנושאים לנוח במשך 90 שניות כדי למנוע עייפות. </li></ol> 5. נוהל ניסיוני <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ההוגעה Motor Task- מתמשכת הצירים. הערה: המשימה המתישה מורכבת משני צירים מתמשכים להורג בימים נפרדים. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הדריכו את הנושאים כדי להתאים את קו היעד של 30% MVC עבורזמן רב ככל האפשר עם בשורה המתאימה הכח ליישם או את המיקום של האצבע שלהם מקבילים לרמת כוח של 30% MVC. הערה: קו היעד במהלך עמדת משוב המצב (PF-הקבוצה) ולכן תואם את זווית האצבע כאשר הנבדקים להתאים את רמת הכח של 30% MVC. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שאל את הנושאים להחזיק את הצירים עד כישלון המשימה, המוגדרת לנקודה שבה הנבדקים הם כבר לא מסוגל להחזיק את כוח היעד בתוך חלון 5% מכוח היעד על פני תקופה של 5 שניות (FF-group). עבור קבוצת PF, להגדיר משימת כישלון כאשר המשתתפים אינם מסוגלים לשמור על זווית האצבע בתוך 5% של זווית היעד הנדרשת במשך 5 שניות 12,23. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ודא ששני הצירים המתמשכים מופרד לפחות 48 שעות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS-פרוטוקול הערה: ניסוי TMS התת מתבצע ביום נפרד ההתכווצויות המתישות. זה חשוב כמו עייפות יש השפעהעל דיכוי EMG עורר על ידי subTMS 24,25 כך ההבדלים בין כוח והמצב לא ניתן לזהות בבירור. הפרדת ההתכווצויות המתישות ממידות TMS יש את היתרון כי הבדלים בדיכוי EMG כעת ניתן לייחס באופן ברור על הפרשנות השונה של המשוב אבל יש מגבלת התוצאות לא ניתן לקשר ישירות את ההבדלים בזמן עייפות של התכווצויות המתמשכות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לנהל את החלק של הניסוי באמצעות TMS (ראה גם סעיף 3. &quot;מצגת משוב&quot;) על אירוע נפרד מאשר הניסויים המתישים. בתחילה, בצע את ההליך בדיוק כמו עבור התכווצות מתישה (למשל, התכווצויות MVC) אבל הפעם, לשאול הנושאים להחזיק את הצירים רק כל עוד גירוי TMS נמשך. לפיכך, ההתכווצויות אינן fatigable והחזיק רק עבור כ 100 שניות במהלך כל ניסוי TMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לספק הפסקה של 3 דקות בין תלתals למזער הטיות של עייפות. </li></ol></li></ol> 6. עיבוד נתונים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החל סך של 100 מטאטא, 50 מטאטא עם ו -50 מטאטא ללא גירוי, עם מרווח בין גירוי החל 0.8 ל 20,21,25,26 של 1.1. מרווח interstimulus קצר זה מוודא כי הנבדקים לא צריכים להחזיק את ההתכווצויות במשך זמן רב מדי ולכן השפעות מתישות ניתן למזער. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לנתח אם גירוי TMS גרם סיוע (MEP) או דיכוי EMG, לחסר לתקן ולאחר מכן הממוצע 50 מטאטא עם גירוי (מגורה EMG) משנות ה -50 מטאטא ללא גירוי (שליטה EMG) 20,21,25-27. הערה: תחילתה של דיכוי EMG מוגדרת כנקודת הזמן שבה EMG בממוצע עבור המטאטא עם שהגירוי פחות EMG בקר 4 msec לפחות בתוך מסגרת זמן של 20 עד 50 אלפיות שנייה לאחר דופק TMS. סופו של הדיכוי מוגדר tהוא מיידית כאשר EMG המגורה גדול EMG המלא לפחות 1 msec ואת מידת הדיכוי מחושב אחוז שינוי (שליטת מגורה / מתכוון שליטה * 100). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש מטאטא ללא גירוי TMS לחישוב הפעלת EMG הרקע להם ממוצע מעל באותו חלון זמן כמו ניסויים עם 20,21,25,26 גירוי. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> EMG <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קבע את פעילות EMG המקסימלי על ידי חישוב ערך שורש הממוצע מרובעות רשם בחלון 0.5s זמן סביב כוח השיא נמדד במהלך MVC בדיקות 20,21. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עבור ההתכווצויות המתמשכות, לנתח את EMG על ידי בניית 8 פחי שניות ארוכים שבו מרובע ממוצע השורש של EMG המיושר מחושב מנורמל לפעילות EMG שהושגה במהלך ניסויי MVC 20,21. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

המחקר הנוכחי חקר אם הפירוש של משוב augmented משפיע על הזמן עייף של התכווצות submaximal מתמשכת ואת העיבוד העצבי של הקורטקס המוטורי הראשוני. התוצאות מראות כי ברגע המשתתפים פרשו את המשוב כפי משוב מיקום (לעומת לכפות משוב), את הזמן כדי עייפות משמעותית קצר יותר ואת הפעילות המעכבת של ...

משוב תחושתי הוא קריטי לבצע תנועות. פעילויות יומיומיות הן כמעט בלתי אפשריות בהיעדר פרופריוספציה 1. יתר על כן, למידה מוטורית מושפעת הפרופריוצפטיבית אינטגרציה 2 או עורית התפיסה 3. בני אדם בריאים עם תחושת שלמים מסוגלים לשקלל את התשומות החושיות הנובעות ממקורות חושיים שונים כדי לענות על צרכימי מצב ספציפי 4. במשקל חושי זו ומאפשרת לבני אדם לבצע משימות קשות עם דיוק גבוה גם כאשר כמה היבטים של המידע החושי אינם אמינים או אפילו נעדר (למשל, הליכה בחושך או בעיניים עצומות). בנוסף, עדויות שונות מצביעות שמתן augmented (או נוסף) משוב משפרת עוד יותר שליטה מוטורית ו / או למידה מוטורית. משוב Augmented מספק מידע נוסף על ידי מקור חיצוני אשר ניתן להוסיף לעמוד במשימה המהותית משוב (החושי) נובעים החושייםמערכת 5,6. במיוחד את ההשפעה של התוכן של משוב augmented על שליטה מוטורית ולמידה כבר עניין רב בשנים האחרונות. אחת השאלות התייחסו היה כיצד תוכל בני האדם בכוח מלא בעמדת 7,8. חקירות ראשוניות זיהו הבדלים בזמן עייפות של התכווצות submaximal מתמשכת באמצעות אחת משתי העמדות או לכפות משוב והבדלים ציות עומס (למשל, 9-12). כאשר נבדקים סופקו עם משוב כוח, הזמן העייף של ההתכווצות המתמשכת הושווה ארוך משמעותי כאשר עמדו משוב סופק. אותה התופעה נצפתה עבור מגוון רחב של שרירים שונים ועמדות איבר ומספר המנגנונים תוקפים, לרבות שיעור גדול יותר של גיוס יחידת מנוע וירידה רבה יותר מזו קיימת H-רפלקס במהלך ההתכווצות נשלטה העמדה (לסקירה 13). עם זאת, במחקרים אלה, לא רק את המשוב החזותי, אלא גם את ג הפיסיתharacteristics של התכווצות השרירים (כלומר., העמיד מכשיר המדידה) שונה. לכן, אנו לאחרונה ערכנו מחקר ולא על שינוי וציות, אך augmented רק משוב ספקנו ראיות הוראה בכוח משוב מיקום לבד במהלך התכווצות submaximal מתמשכת עלולים לגרום הבדלים בפעילות מעכבת בתוך הקורטקס המוטורי הראשוני (M1). זו הוצגה בטכניקה גירוי כי ידוע לפעול אך ורק ברמת קליפת המוח 14, כלומר גירוי מגנטי transcranial התת (subTMS). בניגוד suprathreshold TMS, התגובה שעוררה subTMS, לא מווסתת על ידי הרגישות של motoneurons-α השדרה הנוירונים המעורר הרגיש ו / או תאים בקליפת מוח 15-17 אבל אך ורק על ידי הרגישות של נוירונים intracortical המעכבים. המנגנון הניח מאחורי טכניקת גירוי זה הוא כי הוא מוחל בעוצמות מתחת לסף לעורר מנוע עורר פוטנציאל(MEP). היא הוצגה בחולים שיש אלקטרודות מושתלות ברמת צוואר הרחם כי סוג זה של גירוי אינו מייצר שום פעילות יורד אבל שזה בעיקר מפעיל interneurons מעכבת בתוך הקורטקס המוטורי הראשוני 14,18,19. הפעלה זו של interneurons מעכב גורמת לירידה בפעילות EMG השוטפת ניתן לכמת על ידי כמות דיכוי EMG לעומת פעילות EMG שהושגה בניסויים ללא גירוי. מבחינה זו, הראינו כי נבדקים מוצגים פעילות מעכבת גדולה משמעותי בניסויים שבה קבלו עמדת משוב לעומת ניסויים שבם לכפות משוב סופק 20. יתר על כן, גם הראינו כי לא רק הצגת שיטות משוב שונות (כוח לעומת שליטה על מיקום) אלא גם את הפרשנות של למשוב יכולה להיות השפעה דומה מאוד על נתוני התנהגות ונוירופיזיולוגיים. באופן ספציפי יותר, כשאמרנו המשתתפים לקבל position משוב (למרות שזה היה משוב כוח) הם גם לא הציגו רק זמן קצר כדי עייף אלא גם רמה מוגברת של פעילות M1 מעכב 21. שימוש בגישה שבי אותה המשוב אבל עם מידע שונה על תוך מסופק תמיד יש את היתרון כי האילוצים המשימים, כלומר, את המצגת של המשוב, הרווח של המשוב, או עמידת העומס זהים בין תנאים, כדי כי הבדלים בביצועי פעילות עצבית שקשורים בבירור הבדלים בפרשנות של המשוב ואינם מוטים על ידי תנאי בדיקה שונים. לפיכך, המחקר הנוכחי בחן האם פרשנות שונה היינו הך משוב משפיע על משך התכווצות submaximal מתמשכת ויתר על כן יש השפעה על הפעלת פעילות המעכבת של הקורטקס המוטורי הראשוני.

<table><tbody><tr><td>torquemeter</td><td>LCB 130, ME-Mebsysteme, Neuendorf, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>potentiometer</td><td>type 120574, Megatron, Putzbrunn, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>EMG electrodes</td><td>Blue sensor P, Ambu, Bad Nauheim, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS coil</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS machine</td><td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Recording software</td><td>Labview-Based</td><td></td><td>custom written software</td></tr></tbody></table>

force and position control in humans - the role of augmented feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.

פרשנות של משוב בהליך המתואר כאן, נושאים הונחו בצורה שהם האמינו מחצית משפטם קבל משוב מיקום ובמחצית השנייה של הניסויים קבלו משוב כוח. למעשה, הם היו מרומים בחץ משפטם כמו להם קבלה משוב מיקום תמ...

Watch this Scientific Journal Video about Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback at JoVE.com

Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.

בקרת חיל ומיקום בבני אדם - תפקידה של משוב Augmented

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

force-and-position-control-in-humans-the-role-of-augmented-feedback

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Behavior

7.8K Views.  University of Freiburg. Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback. 

Video: Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other forms of biofeedback. Previous human-robot interactive systems have required different software commands to be implemented for each robot leading to unnecessary developmental overhead time each time a new system becomes available. For example, when a haptic/graphic virtual reality environment has been coded for one specific robot to provide haptic feedback, that specific robot would not be able to be traded for another robot without recoding the program. However, recent efforts in the open source community have proposed a wrapper class approach that can elicit nearly identical responses regardless of the robot used. The result can lead researchers across the globe to perform similar experiments using shared code. Therefore modular "switching out"of one robot for another would not affect development time. In this paper, we outline the successful creation and implementation of a wrapper class for one robot into the open-source H3DAPI, which integrates the software commands most commonly used by all robots.

Recently, a vast amount of prospects have come available for human-robot interactive systems. In this paper we outline the integration of a new robotic device with open source software that can rapidly make possible a library of interactive functionality. We then outline a clinical application for a neurorehabilitation application.

לתחושה / שיקום גרפי: שילוב רובוט לתוך ספריית סביבה וירטואלית וליישם אותו שבץ תרפיה

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Bioengineering

A Structured Rehabilitation Protocol for Improved Multifunctional Prosthetic Control: A Case Study

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated systems require upper limb amputees to learn complex control schemes. Humans have the ability to learn new movements through imitation and other learning strategies. This protocol describes a structured rehabilitation method, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning, and aims to assess if this method can improve multifunctional prosthetic control. A left below elbow amputee, with 4 years of experience in prosthetic use, took part in this case study. The prosthesis used was a Michelangelo hand with wrist rotation, and the added features of wrist flexion and extension, which allowed more combinations of hand movements. The participant&#8217;s Southampton Hand Assessment Procedure score improved from 58 to 71 following structured training. This suggests that a structured training protocol of imitation, repetition and reinforcement may have a role in learning to control a new prosthetic hand. A larger clinical study is however required to support these findings.

As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees&#8217; inherent ability to learn new motor skills may enable proficiency. This manuscript describes a structured rehabilitation protocol, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning strategies, for improved multifunctional prosthetic control.

פרוטוקול מובנה לשיקום משולבת משופרים תותבת בקרה: Case Study

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated ...

Movement Retraining using Real-time Feedback of Performance

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular patterns responsible for governing the movement performance. This motor learning can be enhanced through a number of methods that are utilized in research and clinical settings alike. In general, verbal feedback of performance in real-time or knowledge of results following movement is commonly used clinically as a preliminary means of instilling motor learning. Depending on patient preference and learning style, visual feedback (e.g. through use of a mirror or different types of video) or proprioceptive guidance utilizing therapist touch, are used to supplement verbal instructions from the therapist. Indeed, a combination of these forms of feedback is commonplace in the clinical setting to facilitate motor learning and optimize outcomes.
Laboratory-based, quantitative motion analysis has been a mainstay in research settings to provide accurate and objective analysis of a variety of movements in healthy and injured populations. While the actual mechanisms of capturing the movements may differ, all current motion analysis systems rely on the ability to track the movement of body segments and joints and to use established equations of motion to quantify key movement patterns. Due to limitations in acquisition and processing speed, analysis and description of the movements has traditionally occurred offline after completion of a given testing session.
This paper will highlight a new supplement to standard motion analysis techniques that relies on the near instantaneous assessment and quantification of movement patterns and the display of specific movement characteristics to the patient during a movement analysis session. As a result, this novel technique can provide a new method of feedback delivery that has advantages over currently used feedback methods.

Retraining abnormal movement patterns following injury or disease is a key component of physical rehabilitation. Recent advances in technology have permitted accurate assessment of movement during a variety of tasks, with near instantaneous quantification of results. This provides new opportunities for modification of faulty movement patterns in real time.

תנועת סבה באמצעות משוב בזמן אמת של ביצועים

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular ...

Medicine

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the neural-machine interface (NMI) control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. The formation of agency is fundamental in distinguishing the actions that we perform with our limbs as being our own. By striving to incorporate advanced upper-limb prostheses into these same perceptual mechanisms, we can begin to integrate an artificial limb more closely into the user&#39;s existing cognitive framework for limb control. This has important implications in promoting user acceptance, use, and effective control of advanced upper-limb prostheses. In this protocol, participants control a virtual prosthetic hand and receive kinesthetic sensory feedback through their preexisting NMIs. A series of virtual grasping tasks are performed and perturbations are systematically introduced to the kinesthetic feedback and virtual hand movements. Two separate measures of agency are employed: established psychophysical questionnaires (to capture the explicit experience of agency) and a time interval estimate task to capture the implicit sense of agency (intentional binding). Results of this protocol (questionnaire scores and time interval estimates) can be analyzed to quantify the extent of agency formation.

Here we present a protocol which characterizes the sense of agency developed over the control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. Psychophysical questionnaires are employed to capture the explicit experience of agency, and time interval estimates (intentional binding) are employed to implicitly measure the sense of agency.

אפיון התחושה של הסוכנות על הפעולות של תותבות המופעלים באמצעות ממשק עצבית-מכונה

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

החלת גירויים חזותיים קלקל במהלך העברת האובייקט עם משוב Vibro מישוש

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

Real-Time Proxy-Control of Re-Parameterized Peripheral Signals using a Close-Loop Interface

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central nervous systems (CNS). Less frequent however, are protocols that update external signals self-generated by interactive bodies in motion. There is a paucity of methods that combine the body-heart-brain biorhythms of one moving agent to steer those of another moving agent during dyadic exchange. Part of the challenge to accomplish such a feat has been the complexity of the setup using multimodal bio-signals with different physical units, disparate time scales and variable sampling frequencies.
In recent years, the advent of wearable bio-sensors that can non-invasively harness multiple signals in tandem, has opened the possibility to re-parameterize and update the peripheral signals of interacting dyads, in addition to improving brain- and/or body-machine interfaces. Here we present a co-adaptive interface that updates efferent somatic-motor output (including kinematics and heart rate) using biosensors; parameterizes the stochastic bio-signals, sonifies this output, and feeds it back in re-parameterized form as visuo/audio-kinesthetic reafferent input. We illustrate the methods using two types of interactions, one involving two humans and another involving a human and its avatar interacting in near real time. We discuss the new methods in the context of possible new ways to measure the influences of external input on internal somatic-sensory-motor control.

We present protocols and methods of analyses to build co-adaptive interfaces that stream, parameterize, analyze, and modify human body and heart signals in close-loop. This setup interfaces signals derived from the peripheral and central nervous systems of the person with external sensory inputs to help track biophysical change.

בקרת Proxy בזמן אמת של אותות היקפיים עם פרמטרים מחדש באמצעות ממשק לולאה קרובה

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

שיטה להערכת עתוי דיוק של תגובות מוטוריות רצוניות כדי Vibrotactile גירויים

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Experimental Methods to Study Human Postural Control

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied by appropriate mathematical methods are needed to understand the role of the different sub-systems involved in human postural control. This article describes a protocol for performing perturbed standing experiments, acquiring experimental data, and carrying out the subsequent mathematical analysis, with the aim of understanding the role of musculoskeletal system and central control in human upright posture. The results generated by these methods are important, because they provide insight into the healthy balance control, form the basis for understanding the etiology of impaired balance in patients and the elderly, and aid in the design of interventions to improve postural control and stability. These methods can be used to study the role of somatosensory system, intrinsic stiffness of ankle joint, and visual system in postural control, and may also be extended to investigate the role of vestibular system. The methods are to be used in the case of an ankle strategy, where the body moves primarily about the ankle joint and is considered a single-link inverted pendulum.

This article presents an experimental/analytic framework to study human postural control. The protocol provides step-by-step procedures for performing standing experiments, measuring body kinematics and kinetics signals, and analyzing the results to provide insight into the mechanisms underlying human postural control.

שיטות נסיוניות ללימוד בקרת הפוסטאורל האנושית

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied ...

WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of manipulating important components of multiple feedback loops lack development. This paper describes WheelCon, an open-source platform aimed at resolving such insufficiencies. Using only a computer, a standard display, and inexpensive gaming steering wheel equipped with a force feedback motor, WheelCon safely simulates the canonical sensorimotor task of riding a mountain bike down a steep, twisting, bumpy trail. The platform provides flexibility, as will be demonstrated in the demos provided, so that researchers may manipulate the disturbances, delay, and quantization (data rate) in the layered feedback loops, including a high-level advanced plan layer and a low-level delayed reflex layer. In this paper, we illustrate WheelCon&#39;s graphical user interface (GUI), the input and output of existing demos, and how to design new games. In addition, we present the basic feedback model and the experimental results from the demo games, which align well with the model&#39;s prediction. The WheelCon platform can be downloaded at https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. In short, the platform is featured to be cheap, simple to use, and flexible to program for effective sensorimotor neuroscience research and control engineering education.

WheelCon is a novel, free and open-source platform to design video games that noninvasively simulates mountain biking down a steep, twisting, bumpy trail. It contains components presenting in human sensorimotor control (delay, quantization, noise, disturbance, and multiple feedback loops) and allows researchers to study the layered architecture in sensorimotor control.

גלגלים: בקרת גלגל המשחקים מבוססי פלטפורמת המשחק ללמוד Sensorimotor האדם בקרת

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

Neuroscience

Effects of feedback

Feedback in control systems plays a critical role in shaping various operational parameters, extending beyond simple error reduction to influence stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity. Understanding these effects requires examining a basic feedback system characterized by defined input, output, error, and feedback signals.
Feedback significantly modifies the gain of a control system. The gain of a system without feedback is altered by a factor of one plus GH, where G represents the open-loop gain and H is the feedback factor. This alteration means feedback can amplify or attenuate the gain depending on the frequency range, thus influencing the overall system performance.
Stability is another crucial aspect affected by feedback. Stability refers to the system&#39;s ability to accurately follow an input command and maintain a controllable output. An unstable system cannot reliably track input commands, resulting in erratic and uncontrollable outputs. Feedback can impact stability in two opposing ways: it can either destabilize an initially stable system or stabilize an unstable one. If the product GH equals negative one, the system becomes unstable, as any finite input results in an infinite output. Conversely, incorporating a negative feedback loop can stabilize an otherwise unstable system by adjusting the feedback gain appropriately.
In addition to gain and stability, feedback also affects a system&#39;s response to extraneous signals and noise. In the presence of disturbances, feedback helps minimize the impact of these unwanted signals. If the factor in the feedback loop&#39;s denominator is greater than unity and the system remains stable, the noise component is effectively reduced. This reduction is crucial in maintaining the integrity of the desired signal and ensuring the system&#39;s robustness against external interferences.
Overall, feedback mechanisms are indispensable in refining the performance of control systems. By carefully designing and implementing feedback loops, engineers can enhance stability, control gain, minimize noise, and improve the system&#39;s responsiveness and accuracy. The strategic use of feedback thus plays a pivotal role in advancing the efficacy and reliability of modern control systems across various applications.

השפעות המשוב

Feedback in control systems extends beyond error reduction, impacting aspects like stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity.
The significant ...