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.

여기에 설명 된 프로토콜은 프라이 부르크 대학의 윤리위원회의 가이드 라인을 따라 헬싱키 선언 (1964)에 따라이었다. 1. 윤리 승인 - 주제 명령 <ol><li> 실제 실험 전에 연구 및 잠재적 위험 요인의 목적에 대해 모든 주제 지시. 경 두개 자기 자극 (TMS)을 적용 할 때, 간질 발작, 눈 및 / 또는 머리에 금속 임플란트, 심장 혈관 시스템과 임신의 질병의 역사 등 일부 의료 위험이 있습니다. 이 연구에서 이러한 위험 인자 중 하나에 긍정 어떤 주제를 제외합니다. </li><li> 연구에만 건강한 개인을 포함합니다. 어떤, 신경 정신 및 / 또는 정형 외과 질환을 가진 개인을 제외합니다. </li></ol> 2. 제목 준비 <ol><li> 주제 배치 <ol><li> 전체 실험을하는 동안, 편안한 의자 좌석 과목. 머리를 고정안정적인 머리 위치를 보장하고 상대적으로 머리 TMS 코일의 운동을 피하고, 목을 껴안은 캐스트를 사용하여 참가자의. </li><li> 손목의 움직임을 최소화하기 위해 맞춤형 암 레스트에있는 주제의 오른쪽 팔을 놓습니다. 로봇의 팔에 장착 된 부목에 피사체의 오른쪽 검지 손가락을 수정합니다. 접합부 중앙 로봇의 회전 중심과 일치하도록 오른손 metacarpophangeal 조인트 로봇 암의 회전축 정렬. </li></ol></li><li> 강제 녹화 <ol><li> 로봇 암에 장착 torquemeter 의해 피험자에 의해 가해지는 힘을 측정하고, 로봇 (22)의 회전축에 접속 된 가변 저항기에 의해 (집게 손가락의 위치에 대응하는) 로봇 암의 위치를 측정한다. </li></ol></li><li> 근전도 (EMG) <ol><li> 전기 생리 TMS 의해 유도 반응뿐만 아니라 muscula을 측정하기 위해 표면 전극의 양극 구성을 사용주제에 의해 생산 연구 활성화. <ol><li> 오른쪽의 근육 (FDI) interosseus 첫 번째 지느러미를 통해 피부에 전극을 부착하고, 납치범이 브레비스 (APB)에 무지하기 전에 약간 후, 피험자의 피부를 면도 젤을 사포를 사용하거나 연마를 연마하고 프로판올과 소독 . </li><li> 이 후, FDI와 APB의 근육 배 이상 피부에 자체 접착 EMG 전극을 부착합니다. 같은 암의 주두에 추가 기준 전극을 배치합니다. </li><li> EMG 증폭기 및 아날로그 - 디지털 변환기 모든 전극을 케이블 연결합니다. 근전도 신호를 증폭 (X 1000), 대역 통과 필터 (10 - 1,000 Hz에서) 4 kHz의 샘플에서. 오프라인 분석을위한 EMG 신호를 저장합니다. </li></ol></li></ol></li><li> TMS <ol><li> 반대측 모터 대뇌 피질의 손 영역을 자극하기 위해 TMS 자극에 부착 된 팔 코일의 그림을 사용합니다. </li><li> 도출하기위한 두피 코일에 대하여 최적의 위치를​​ 찾기모터는 매핑 절차에 의해 FDI 근육의 전위 (유럽 의회 의원)을 유발 : <ol><li> 약 0.5 cm 전방 정점 및 상기 코일의 중심에 현재의 후방 - 전방의 흐름을 유도하는, 시상면 45 ° 반 시계 방향으로 상대 가리키는 핸들 중앙선 위에 코일을 배치했다. </li><li> 처음에, 자기 펄스에 익숙한 주제를 얻을 수있는 작은 자극 (예를 들어, 아래 30 % 최대 자극기 출력, MSO) 강도를 선택합니다. </li><li> 3 % 최대 자극기 출력 (MSO) 및 FDI 자극에 대한 최적 사이트 (핫 스폿)를 찾기 위해 입쪽 정면 및 메디 - 횡 방향으로 상기 코일을 이동 -이어서, 예를 들면, 2 작은 단계 자극 강도를 높일 근육. 핫 스폿은 가장 MEP는 주어진 자극 강도에서 관찰 할 수있는 위치로 정의된다. </li></ol></li><li> 외국인 직접 투자 핫스팟을 발견 한 후, minimu로 모터 임계 값 (MT)를 쉬고 결정m의 강도는 3 ~ 5 중 연속 시험 (18)의 EMG에서보다 큰 50 μV을 MEP 피크 - 투 - 피크 진폭을 연상해야합니다. 컴퓨터 화면에 온라인으로 표시되는 유럽 의회 의원의 크기를 검사합니다. </li><li> 1.0 * MT와 MEP들를 도출 한 후, 계속해서 MEP가 더 이상 관찰되지 않을 때까지 2 % MSO 단계에서 TMS 시스템의 자극 강도 저하 및 지속적인 근육 활동의 EMG 억제 명백해진다. 참고 : TMS 유도 EMG 억제를 묘사하기 위해이 자극 (섹션을 참조하십시오 5. &quot;데이터 처리&quot;)의 높은 숫자를 적용 할 필요가있다 </li></ol></li></ol> 3. 피드백 프리젠 테이션 <ol><li> 세 그룹 (PF, FF, CON)에 참가자를 나눕니다. </li><li> 로봇 장치에 눌러 검지 손가락을 이동할 때 집게 손가락 (위치 ​​피드백)의 위치에 대한 피드백을받을 수있는 시험의 절반에 위치 피드백 그룹 (PF)에서 대상을 지시한다. &lt;/ 리&gt; <li> 시련의 나머지 절반에서는 로봇 장치 (포스 피드백)을 이동하면서 가해진 힘에 대한 피드백을받을 수 과목을 지시합니다. 주 : 그러나 실제로 그들은 항상 같은 의견 (위치 ​​피드백)을 수신한다. </li><li> 시련의 절반에 힘 피드백을 받고 나머지 절반에 위치 피드백을받을 수있는 포스 피드백 그룹 (FF)에서 대상을 지시합니다. 주 : 사실,이 그룹 단독으로 힘 피드백이 제공된다. </li><li> 피드백의 소스에 대한 대조군 (CON)를 지시하지 마십시오. 참고 : 대조군은 다른 반으로 한 시련의 절반 위치 피드백 피드백을 강요 받는다. </li><li> 무작위 시험은 모든 그룹에서 힘 또는 위치 피드백을 시작할지 여부, 즉, 세션의 순서를 변경. </li><li> 시각적으로 힘 및 컴퓨터 스크린상의 위치 피드백 피사체 앞에 1m 배치 표시. </li><li> 각 조건에있어서, 대상 라인에 대응하는 제시30 피사체의 개별 최대 자율 힘 % 또는 컴퓨터 스크린에 30 % 최대로 자발적으로 수축 (MVC)에서 검지의 손가락 각도와 가능한 한 가깝게 대상 회선에 맞는 대상을 지시한다. </li></ol> 4. 최대한 아이소 메트릭 힘 <ol><li> 피사체 (EMG)를 제조 한 후, 3 초 시간 범위에 걸쳐 최대 0에서 아이소 메트릭 힘의 점진적인 증가와 2 초 (20, 21) 개최 최대의 힘으로 이루어진 세 개의 아이소 메트릭 최대 자발적 수축 (MVC)를 수행합니다. </li><li> 구두로 최대한의 힘을 달성하기 위해 주제를 바랍니다. 각 시험 후, 피사체가 피로를 방지하기 위해 90 초 동안 휴식을 할 수 있습니다. </li></ol> 5. 실험 절차 <ol><li> 피로 모터 Task-는 수축을 지속. 참고 : 피로 작업이 별도의 일에서 실행이 지속적으로 수축으로 구성되어 있습니다. <ol><li> MVC에 대해 30 %의 타겟 라인과 일치하도록 피험자에게 지시한 가능한 라인이인가 된 힘 또는 30 % MVC의 힘 레벨에 대응하는 손가락의 위치에 대응. 주 : 피험자 30 % MVC의 힘 수준과 일치 할 때, 위치 피드백 조건 (PF 그룹)시 목표 라인 따라서 손가락 각도에 대응한다. </li><li> 주제는 더 이상 5 초 (FF 그룹)에 걸쳐 대상 인구의 5 % 창 내부 목표 힘을 보유 할 수있는 지점으로 정의되는 작업 실패 할 때까지 수축을 유지하기 위해 주제를 물어보십시오. PF-그룹의 참가자가 5 초 12,23에 필요한 목표 각도의 5 % 이내 손가락 각도를 유지할 수없는 경우와 같이 작업 실패를 정의한다. </li><li> 두 지속적인 수축이 최소 48 시간으로 구분되어 있는지 확인합니다. </li></ol></li><li> TMS 프로토콜 주 : 서브 쓰레 숄드 TMS 실험이 피로 수축에 별도의 날에 실시한다. 피로의 영향이 있기 때문에 이것은 중요subTMS 24, 25 이렇게 힘과 위치의 차이에 의해 유발 근전도 억제에 명확하게 식별 할 수 없습니다. TMS를 측정에서 피로 수축 분리하면 EMG 억제 차이 이제 명확 피드백의 다른 해석에 기인 할 수있는 장점을 가지고 있지만, 그 결과는 직접적 피로 시간의 차이에 링크 할 수없는 한계를 갖는다 지속적인 수축. <ol><li> TMS를 사용하여 실험의 일부를 실시 피로 실험보다 별도의 경우에 (도 부 (3) &#39;의견 발표 &quot;참조). 처음의 피로 수축 (예를 들어, MVC 수축)하지만,이 시간과 동일한 절차에 따라 만만큼 TMS 자극이 지속으로 수축을 유지하기 위해 주제를 부탁드립니다. 따라서, 수축 지치기 쉬운 및 각 TMS 시험 기간 동안 약 100 초 동안 유지되지 않습니다. </li><li> 트라이 사이 3 분의 휴식을 제공합니다루게릭 병은 피로의 편견을 최소화합니다. </li></ol></li></ol> 6. 데이터 처리 <ol><li> TMS <ol><li> 0.8에서 1.1의 20,21,25,26까지 간 자극 간격으로, 자극없이 100 스윕, 50 스윕 50 스윕의 총을 적용합니다. 이 짧은 interstimulus 간격은 피사체가 너무 오래 너무 피로 효과를 최소화 할 수의 수축을 보유 할 필요가 없습니다 있는지 확인합니다. </li><li> TMS 자극이 촉진 (MEP) 또는 EMG 억제를 야기하는 경우 분석하기 위해, 자극 (제어 EMG) 20,21,25-27없이 50 스윕에서 자극 (자극 EMG)와 정류 된 후 평균 50 스윕을 뺍니다. 주 : EMG 억제의 개시는 자극과 스위프 평균 EMG는 TMS 펄스 후 20 내지 50 밀리 초들의 기간에 적어도 4 밀리위한 제어 EMG 미만인 시점으로 정의된다. 억제의 단부가 t로 정의된다유도 브릴 EMG는 변동률로서 산출되는 적어도 1 밀리위한 제어 EMG 및 억제의 정도보다 큰 경우에는 그 즉시 (대조군 * 100 평균 / 제어 자극). </li><li> 배경 EMG 활성의 계산 TMS 자극없이 스윕을 사용하여 자극 20,21,25,26와 시험과 동일한 시간 창에 걸쳐 그들을 평균. </li></ol></li><li> EMG <ol><li> MVC의이 (20, 21)를 테스트하는 동안 측정 한 피크 력 주위 0.5 초 시간 윈도우에 기록 된 제곱 평균 값을 산출하여 최대 EMG 활성을 결정한다. </li><li> 지속적인 수축의 경우, 정류 EMG의 제곱 평균 제곱근은 MVC 시험 (20, 21) 중 얻은 EMG 활동에 계산 표준화되어 8 초 긴 쓰레기통을 구축하여 EMG를 분석 할 수 있습니다. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

증강 피드백의 해석은 지속적인 준 최대 수축의 피로와 일차 운동 피질의 신경 처리 시간에 영향을 미치는 경우 본 연구는 조사 하였다. 결과는 즉시 참가자가 위치 피드백과 의견을 해석으로 (피드백을 강제로 비교) 보여, 피로에 시간이 크게 단축하고 (subTMS에 의한 EMG 억제의 양 측정) 운동 피질의 억제 활성되어 있었다 더. 태스크 상태 사이에서 변경되지 않은 때, 현재의 결과는 피드백의 소스?...

감각 피드백은 운동을 수행 할 중요합니다. 일상적인 활동은 감수 하나의 부재에 거의 불가능하다. 또한, 모터의 학습은 고유 수용성 통합이 피부 또는 지각 (3)에 의해 영향을 받는다. 그대로 감각과 건강한 인간은 상황 별 요구 (4)를 충족하기 위해 다양한 감각 소스에서 발생하는 감각 입력을 가중 할 수있다. 계량이 감각은 (어둠 속에서 또는 눈을 감고 함께 걷고, 예를 들어) 감각 정보의 일부 측면은 신뢰할 수없는 또는없는 경우에도 높은 정밀도로 어려운 작업을 수행 할 사람을 수 있습니다. 또한, 다양한 증거는 의견을 증강 (또는 추가)을 제공하는 것이 더 모터 제어 및 / 또는 운동 학습을 향상 것이 좋습니다. 증강 피드백은 감각에서 발생하는 작업 고유 (감각) 피드백에 추가 할 수있는 외부 소스에 의한 추가 정보를 제공합니다시스템 5,6. 특히, 모터 제어 및 학습 증강 피드백 내용의 효과가 최근 큰 관심이되고있다. 질문 중 하나 해결 제어 힘과 위치 7,8을 인간 방법이었다. 초기 조사는 위치 또는 부하 준수 피드백과 차이점을 강제를 사용하여 지속적인 준 최대 수축의 피로 시간의 차이를 확인 (예 : 9-12). 피험자는 힘 피드백이 제공되었을 때, 지속적인 수축 피로 시간은 상당히 길어 위치 피드백이 제공 될 때와 비교 하​​였다. 동일한 현상은 모터 유닛 채용 더 큰 속도 (평가 13) 위치 제어 수축 동안 H 반사 영역에서의 더 큰 감소를 포함하여, 다양한 근육과 다리의 다양한 위치 및 신경근 메커니즘 다수 관찰되었다. 그러나, 이들 연구에서, 시각적 피드백뿐만 아니라 물리적 C뿐만근육 수축의 haracteristics (예., 측정 장치의 준수)가 변경되었다. 따라서, 우리는 최근에 준수를 변경하지 않는 연구를 수행하지만 일차 운동 피질 (M1) 내에서 억제 활성의 차이가 발생할 수 있습니다 피드백을 증강하고 지속적인 준 최대 수축하는 동안 증거에게 힘과 단독으로 위치 피드백의 제공을 제공했다. 이것은 피질 레벨 (14), 즉 서브 드레시 홀드 두개 자기 자극 (subTMS)에서 단독으로 작용하는 것으로 알려져 자극 기법을 이용하여 도시 하였다. 초과 임계 TMS는 달리, subTMS에 의해 유발 응답은 척추 α-의 motoneurons과 흥분 흥분성 신경 세포 및 / 또는 대뇌 피질 세포 15-17의 흥분이 아니라 전적으로 억제 intracortical 신경 세포의 흥분에 의해 변조되지 않습니다. 이 자극 기법 뒤에 가정기구는 모터가 잠재적 유발 연상하는 임계 값보다 강도에 적용되는 것입니다(MEP). 그것은 자극이 유형의 모든 내림차순 활동을 생성하지 않습니다 경부 수준에서 이식 된 전극을 갖는 환자에 나타내었다하지만 그것은 주로 일차 운동 피질 14,18,19 내에서 억제의 interneurons을 활성화합니다. 억제의 interneurons이 활성화가 진행중인 EMG 활성의 저하를 일으키는 자극없이 시험에서 수득 된 EMG 활성 비교 EMG 억제의 양에 의해 정량화 될 수있다. 이 점에서 우리는 환자들이 피드백 (20)를 제공 한 강제하는 시험과 비교하여 위치 피드백을 수신하는 시험에서 상당히 큰 저해 활성을 표시 것으로 나타났다. 또한, 우리는 또한 다른 피드백 양식 (위치 제어 대 힘)뿐만 아니라 피드백의 해석의 표현뿐만 아니라,이 행동 및 신경 생리 학적 데이터에 매우 유사한 효과를 가질 수 있음을 보여 주었다. 우리는 참가자 말했을 때보다 구체적으로는, 페이지를받을osition 피드백 (가 힘 피드백을했다하더라도) 그들은 또한 피로 짧은 시간뿐만 아니라 억제 M1 활동 (21)의 증가 수준을 표시뿐만 아닙니다. 콘텐츠에 대해 서로 다른 정보와 같은 피드백하지만 항상 제공되는 방식을 사용하여 작업 제약, 즉 피드백의 제공, 피드백의 게인이나 부하의 컴플라이언스 때문에 조건과 동일한 장점을 갖는다 성능 및 신경 활동의 차이는 상기 피드백의 해석에 차이가 명확하게 관련되어 있으며 다른 시험 조건에 의해 바이어스되지 않은 것이다. 따라서, 현재의 연구는 하나의 다른 해석과 같은 피드백이 지속 준 최대 수축의 지속 시간에 영향을하고 또한 일차 운동 피질의 억제 활성의 활성화에 영향이 있는지 조사 하였다.

<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.

피드백의 해석 여기에 설명 된 절차, 대상은 위치 피드백을받은하는 그들의 시련의 절반을 믿는 방법으로 지시하고, 시험의 나머지 절반에 힘 피드백을받은 데. 사실, 그들은 PF-그룹은 항상 위치 피드백 항상 힘 피드백을받은 FF-그룹을받은 그들은 그들의 시련의 절반의 속임수에 계속해서 넘어갔습니다. <p class="jove...

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.

인간의 힘과 위치 제어 - 증강 피드백의 역할

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 조회수.  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. 

비디오: 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.

Haptic 그래픽 / 재활 : 가상 환경 도서관에 로봇을 통합하고 뇌졸중 치료에 적용

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

연구

생체공학

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.

개선 된 다기능 보철 제어를위한 구조적 재활 프로토콜 : 사례 연구

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

행동분석학

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.

운동은 성능의 실시간 피드백을 사용하여 재교육

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

의학

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.

감각 신경-기계 인터페이스 운영 무생물의 작업을 통해 기관의 특성

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.

진동 촉각 피드백을 통해 개체 전송 중 부조리 한 시각적 촉각 자극 적용

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.

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.

촉각 자극에 의​​지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법

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.

인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법

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.

휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

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

신경과학

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.

피드백의 효과

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

인간의 힘과 위치 제어 - 증강 피드백의 역할

요약

더 많은 비디오 탐색

이 비디오의 챕터

Haptic 그래픽 / 재활 : 가상 환경 도서관에 로봇을 통합하고 뇌졸중 치료에 적용

개선 된 다기능 보철 제어를위한 구조적 재활 프로토콜 : 사례 연구

운동은 성능의 실시간 피드백을 사용하여 재교육

감각 신경-기계 인터페이스 운영 무생물의 작업을 통해 기관의 특성

진동 촉각 피드백을 통해 개체 전송 중 부조리 한 시각적 촉각 자극 적용

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

촉각 자극에 의지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법

인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법

휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

피드백의 효과

인간의 힘과 위치 제어 - 증강 피드백의 역할

요약

더 많은 비디오 탐색

이 비디오의 챕터

Haptic 그래픽 / 재활 : 가상 환경 도서관에 로봇을 통합하고 뇌졸중 치료에 적용

개선 된 다기능 보철 제어를위한 구조적 재활 프로토콜 : 사례 연구

운동은 성능의 실시간 피드백을 사용하여 재교육

감각 신경-기계 인터페이스 운영 무생물의 작업을 통해 기관의 특성

진동 촉각 피드백을 통해 개체 전송 중 부조리 한 시각적 촉각 자극 적용

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

촉각 자극에 의​​지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법

인간의 자세 제어를 연구하는 실험 방법

휠콘: 인간 감각 모터 제어를 연구하기 위한 휠 제어 기반 게임 플랫폼

피드백의 효과

촉각 자극에 의지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법