Name: investigating motor skill learning processes with a robotic manipulandum
Uploaded: 2017-02-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 52 s
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이 연구는 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation), 베티와 데이비드 Koetser 재단 뇌 연구와 ETH 재단에 의해 지원되었다.

여기에 제시된 실험은 취리히, 스위스의 캔톤의 수의학 사무소의 승인을하고, 국가 및 기관의 규정에 따라 수행되었다. 1. 먹이 조건 참고 : 모든 교육 세션은 예약 공급 프로토콜에 따라 수행된다. <ol><li> 교육이 완료되면, 하루에 한 번 쥐에게 표준 차우의 50g / kg을 공급. 음식이 양 (체중 자유 먹이 무게의&gt; 90 %이다)의 주요 중량 손실을 방지하기에 충분하지만, 재현성 행동 조절을 보장하기 위해 충분히 작다. 자신의 체중이 안정적으로 유지하기 위해 매일 쥐를 무게. 주 : 추가 하룻밤 (10-12 시간) 식량 부족은 첫 번째 보상 터치 세션 (단계 2.3) 이전에 유용 할 수있다. </li></ol> 도달 범위 및 풀 작업 2. 교육 과정 <ol><li> 준비 : 쥐 레아에 대한 그들의 새로운 가정 케이지에 길들 허용세인트 동물 시설에 도착 후 일주일. 이 기간 동안 정기적으로 쥐를 처리하고 새로운 음식에 쥐를 길들하는 홈 케이지에서 먼지없는 정밀 알약을 제공합니다. 이러한 펠릿 트레이닝 프로토콜에 걸쳐 보상으로 사용한다. </li><li> 요법 이니는 : 30 ~ 45 분 동안 테스트 케이지의 쥐를 놓고 분말 차우와 혼합 먹이 그릇에 30 ~ 50 알약을 제공합니다. 열고 케이지 창을 닫고 자신의 소리에 쥐를 길들 때때로 펠렛 디스펜서를 실행합니다. <ol><li> 2-3 일 동안은이 과정을 반복합니다. </li></ol></li><li> 터치 보상 : 케이지 창을 통해 구형 핸들을 터치 쥐를 훈련하고 음식 보상을 검색 케이지의 반대쪽으로 이동합니다. <ol><li> 핸들 각 시험의 시작 바로 시험 케이지 창 외측에 위치되도록, 소프트웨어 설정을 조정하고 케이지 창의 중심과 핸들 정렬. 때 시험 즉, 성공 &lt;/ EM&gt;를 즉시 검출 된 핸들 (어떤 방향으로 0.25 mm 변위)에 가벼운 터치로, 톤 소리와 보상이 분배된다. 창이 열린 후 더 터치가 180 초 동안 감지되지 않은 경우 실패로 시련을 분류. </li><li> 교육 케이지에 쥐를 넣습니다. 이 핸들 근처에 개최 펠릿에서 잡아시키기에 의해 도달하는 쥐하라는 메시지를 표시합니다. 케이지에 눌러 핸들과 음식 그릇에 쥐의 관심을 안내합니다. </li><li> 쥐가 독립적으로 케이지 창을 통해 도달하고 음식 펠렛을 검색 할 때 메시지를 표시 중지합니다. </li><li> 100 시험 (터치)가 완료 될 때까지 계속 60 분 경과 할 때까지, 둘 중 먼저 온다. </li><li> 3-4일에 대한 교육을 계속 쥐가 2 일 연속에 30 분 이내에 100 시험을 달성 할 때 훈련 (단계 2.4)의 다음 단계를 시작합니다. 참고 :이 단계를 통해-훈련하지 마십시오. 이 동작에 형성 될 수 있도록 보상 터치의 목적은 쥐와 로봇 간의 상호 신뢰성을 달성하는 것이다이후 훈련. </li></ol></li><li> 무료 풀 (FP) : 연락 로봇의 손잡이를 잡아 쥐를 훈련. <ol><li> 핸들이 각 시험의 시작 창에서 18mm 위치가 성공적인 재판 중단없이 적어도 10mm에 대한 뽑아해야합니다 그래서 소프트웨어 설정을 조정합니다. 이 단계에서 당기는 운동에는 측면 제한이 없습니다. <ol><li> 핸들 윈도우가 열린 후 180 초 동안 이동되지 않은 경우 실패로 재판 분류 핸들이 도달 작업 영역 (중심선으로부터 이상 12mm)의 외부로 이동하는 경우, 또는 래트에서 10mm 이하 뽑아 때 첫 번째 터치 후 5 초가 감지되었습니다. </li></ol></li><li> 첫 번째 FP 세션의 첫 번째 20 시험하는 동안 왼쪽과 오른쪽 발을 사용하는 횟수를 기록해 둡니다. 재판의 적어도 80 %에 사용되는 발은 양호한 발 생각된다. 참고 : 발 환경 설정은 이미 보상에 명확 할 수있다- 터치 세션. </li><li> 바람직한 발을 당기는 촉진하는 윈도우의 가장자리에 정렬 될 때까지 (오른손 래트 반대로위한 윈도우의 좌측에 로봇 5mm 이동 IE) 측 방향으로 핸들을 이동. 참고 :이 쥐에 대한 모든 다음 훈련 세션의 새장이 동일한 상대적인 위치에 손잡이를 배치합니다. 케이지 벽에 로봇에 표시하여 정확한 위치를 보증합니다. </li><li> 100 시험이 완료 될 때까지 훈련 케이지 기차에서 쥐를 넣어 60 분 경과 할 때까지, 둘 중 먼저 온다. 참고 : 쥐가 충분히 밖으로 도달하지 않는 경우, 핸들 근처에 개최 펠릿에서 잡아 수 있도록함으로써 그것을하라는 메시지를 표시합니다. 쥐 반복 실패한 시도 후 당기려고 노력하지 않을 수 있습니다. 케이지에 눌러 그들이 집게 한 쌍의 개최 펠릿에 대한 잡아하거나 의욕을 복원 할 펠렛을 분배 할 수 있습니다. </li><li> 2.4에 설명 된대로 만 FP 교육과 관련된 실험을 위해, 훈련을 계속합니다. 아니TE는 : 일반적으로 1-2 FP 세션은 SP (스트레이트 풀) 훈련에 대한 보상 터치에서 전환을하기 위해 필요하다. 이러한 FP 세션의 목적은 오히려 만 터치 그것보다, 핸들을 밖으로 도달, 잡아 당겨 쥐를 길들하는 것입니다. 보상 터치 훈련과 마찬가지로 오버 기차하지 않도록 목표는 다음 트레이닝 단계로 전환하는 경우에 중요하다. </li></ol></li><li> 스트레이트 풀 (SP)는 : 중간 선에서 2mm 이상을 벗어나지 않고 핸들을 끌어 쥐를 훈련. 주 : 정중선하지 케이지 윈도우의 중간 점에, 로봇의 개시 위치를 기준으로 규정된다. 따라서, 케이지 윈도우의 중간에서 끝나는 당기는 시도는 중간 선에서 2mm 이상을 벗어나는 당겨 궤도가 발생합니다. <ol><li> 인상 움직임이 양쪽에 중간 선에서 2mm 이상을 일탈하지 않는 경우에만 시험이 음색과 펠렛에 의해 보상되도록 소프트웨어 설정을 조정합니다. 단계 2.4에 설명 된대로 다른 모든 매개 변수를 유지합니다. </li><li> 100 시험이 완료 될 때까지 훈련 케이지 기차에서 쥐를 넣어 60 분 경과 할 때까지, 둘 중 먼저 온다. 참고 : 쥐가 매우 흥분되고 반복 실패한 시도 후 당기려고 노력하지 않을 수 있습니다. , 도달 작업에 관심을 리디렉션 그들 집게 한 쌍의 개최 펠릿에 대한 잡아하거나 의욕을 복원 할 펠렛을 분배 수 있도록 케이지에 누릅니다. </li><li> 쥐가 고원의 성능에 도달 할 때까지 훈련을 계속, 또는 실험의 목표에 따라 교육 기간을 적용. </li></ol></li></ol>

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숙련 된 도달 작업은 일반적으로 병적 인 조건 (6)에서 모터 기술 습득뿐만 아니라 운동 기능의 장애를 연구하는 데 사용됩니다. 동작 도달 신뢰성 모호 분석 모터 습득뿐만 아니라, 손실 및 신경 질환의 동물 모델에서 이어지는 기능 회복에 관여하는 신경 생리 학적 과정을 기초 세포 메카니즘의 연구에 중요하다. 여기에 제시된 결과는 당기는 운동의 공간 및 시간 측면 모터 기?...

모터 작업은 널리 신경 학적 또는 약리학 동물 모델에서 운동 기능의 변화 운동 학습 또는 관련 행동 및 신경의 변화를 평가하는 데 사용됩니다. 미세 운동 기능하지만, 설치류 정량화하기 어렵다. 이러한 시리얼 1의 조작, 파스타 2, 해바라기 씨 3과 손재주를 필요로하는 작업은 민감하고 동물의 광범위한 교육이 필요하지 않습니다. 그들의 주요 단점은 이러한 작업은 대부분 질적 결과를 산출하고 명확하게 점수 어려울 수 있다는 것입니다. 이러한 태스크에 이르는 단일 펠릿 변형 숙련 도달 작업, 4, 5를 정량화하는 것이 더 간단하다. 그러나, 이러한 작업의 성공적인 실행을 기초 학적 요인 제한된 정도로 추정하고 노동 집약적 프레임 별 영상 A를 필요로 할 수있다nalysis. 로봇 장치 앞다리 기능과 모터의 기술을 양태를 정량화 수단으로 인기를 얻고있다. 여러 자동화 도달 작업이 가능합니다. 이러한 리니어 가이드를 따라 핸들 6, 7, 간단한 말단 사지 운동 앞발 9 8 또는 내전 및 외전 당기는 등의 앞다리 이동 한 측면에 다수의 초점. 이러한 장치는 모터의 기능 분석을위한 약속을 보여주는 반면, 단지 복합 모터 동작 연장을 제한에 도달하는 단일 펠릿 실행 중에 반영한다. 여기서는 쥐 10, 11, 다양한 모터 작업 훈련 및 평가를 위해 개발 된 3 자유도의 로봇 장치, ETH Pattus의 사용을 입증한다. 그것은 평면과 손, 파악에 쥐의 앞다리 운동의 회전 운동 및 기록수평면에서 수행 작업 당기는. (밀고 당기고 수평면으로 이동 쥐 시험 케이지 (45cm : 15cm, 길이 : 40cm, 높이 폭)의 창을 통해 도달 할 수있는 6mm 직경의 구형 핸들을 통해 로봇과 상호 작용 운동)과 회전 (내전 - 회 외전 운동). 따라서, 종래의 단일 펠릿 도달 태스크 실행 중에 그 근사 동작을 수행하는 래트 수있다. 창은 10mm 폭 케이지 바닥에서 50mm에 위치해 있습니다. 핸들은 바닥에서 55mm에 위치해 있습니다. 미닫이 블록 시험 도달 로봇이 시작 위치에 도달하고, 시험 완료 후 닫힐 때 열리는 사이 핸들에 접근. 올바르게 실행 운동 후 쥐 테스트 케이지의 반대쪽에 음식 보상을받을 수 있습니다. 로봇은 소프트웨어를 통해 제어되고 위치 (O)에 대한 정보의 결과로, 1000 Hz에서 3 로터리 인코더로부터 출력되는 기록수평면뿐만 아니라 그것의 회전 각도로 핸들 F (세부 사항은도 11을 참조하는 참조). 성공적인 작업 실행을 위해 요구되는 조건 (예를 들어 최소가 도달 및 풀 태스크의 중심선으로부터의 거리 및 최대 편차 당기는 필요) 각 트레이닝 세션 이전에 소프트웨어에서 정의된다. 핸들의 초기 표준화 기준 위치는 각 트레이닝 세션의 시작에서 고정 홀더가 기록된다. 이 참고 문헌은 각각의 시험에 대한 핸들의 일정한 시작 위치를 보장 세션 내의 모든 시험에 사용된다. 케이지 창 핸들 상대의 정수 위치는 케이지와 로봇 (그림 1)에 마크의 정렬에 의해 보장된다. 도달 운동의 비디오 녹화는 작은 고속 카메라 (120 프레임 / 초, 640 × 480 해상도)를 사용하여 기록됩니다. 카메라의 뷰에있는 작은 디스플레이는 세션을 훈련, 쥐의 식별 번호를 표시,시험 번호 및 시험 결과 (성공 또는 실패). 이러한 동영상이 기록 결과를 확인하고, 터칭 선행 움직임 도달 핸들 당김 또는 회전의 효과를 평가하기 위해 사용된다. 여기서, 우리는 도달 및 풀 작업의 변동이 로봇 플랫폼의 사용을 입증한다. 이 작업은 다른 당업자 도달 패러다임에 필적하고 재현성있는 결과를 얻을 수 시간 이내에 훈련 될 수있다. 우리는 전형적인 교육 프로토콜뿐만 아니라, 일부의 메인 출력 파라미터를 설명한다. 또한, 우리는 사용 훈련 프로토콜의 사소한 변경은 모터 기술 학습 프로세스 내에서 독립적 인 서브 프로세스를 나타낼 수있다 행동 결과의 변경된 시간 과정에서 발생할 수 방법을 보여줍니다.

<table><tbody><tr><td>ETH Pattus</td><td></td><td></td><td>ETH Pattus was made by the Rehabilitation Engineering Laboratory of Prof. Gassert at ETH Zurich.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Training cage&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td>The plexiglass training cage was made in-house.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Pellet dispenser</td><td>Campden Instruments</td><td>80209</td><td></td></tr><tr><td>45-mg dustless precision pellets</td><td>Bio-Serv</td><td>F0021-J</td><td></td></tr><tr><td>GoPro Hero 3+ Silver Edition&amp;nbsp;</td><td>digitec.ch</td><td>284528</td><td>Small highspeed camera&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Small display</td><td>Adafruit Industries</td><td>#50, #661</td><td>128 x 32 SPI OLED display controlled via an Arduino Uno microcontroller and Labview software</td></tr><tr><td>LabVIEW 2012</td><td>National Instruments</td><td>776678-3513</td><td>ETH Pattus is compatible with more recent Labview versions.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Matlab 2014b</td><td>The Mathworks</td><td>MLALL</td><td></td></tr></tbody></table>

investigating motor skill learning processes with a robotic manipulandum

숙련 된 도달 작업은 일반적으로 건강하고 병적 인 조건에서 모터 기술 학습 및 운동 기능의 연구에 사용되지만, 시간이 많이와 모호한 간단한 성공률을 넘어 정량화 할 수있다. 여기서 우리는 ETH Pattus, 기록이 당겨 쥐에서 손의 회전 운동을하는 것이 훈련에 도달 자동 앞다리를위한 로봇 플랫폼 범위 및 풀 작업을위한 교육 과정을 설명합니다. 수행 된 인상 시도 학적 정량은 정중선 속도 견인 궤적의 공간 변동 편차 당기는 물론 성공 당기는 등의 움직임 파라미터 별개 시간 정보의 존재를 보여준다. 우리는 교육 패러다임에서 약간의 조정이 어려움, 일반적으로 운동 기능 또는 숙련 된 작업 실행을 작업하기 위해 자신의 관계를 드러내는 이러한 매개 변수의 변화가 발생하는 방법을 보여줍니다. , 전기 생리 약리 및 optogenetic 기술과 결합하여,이 패러다임을 사용할 수 있습니다(뇌졸중 후 예) 모터 학습과 기억 형성뿐만 아니라 손실과 기능의 회복을 기본 메커니즘을 탐구합니다.

여기, 우리는 남성 긴 에반스 쥐 (10-12 주 이전)를 사용하여 범위 및 풀 작업 (3) 변화를 보여줍니다. 자유 풀 (FP) 군 (N = 6)에서, 횡 래트 제한없이 22 일 동안 로봇의 손잡이를 당기도록 훈련시켰다. 에서 동물 중간 선에서 2mm 이상을 벗어나지 않고 핸들을 끌어 훈련을받은 (N = 12) 1 (SP1) 그룹을 직선은-당깁니다. 이 동물들은 보상 터치 스트레이트 풀 훈련 (단계 2.3) (단계 2.5)에...

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Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

패러다임은 쥐의 자동 숙련 된 도달 작업의 훈련과 분석을 위해 제공됩니다. 당기 시도의 분석은 운동 학습의 고유 한 하위 프로세스를 보여준다.

로봇 형 조작기와 모터 스킬 학습 과정 조사

Skilled reaching tasks are commonly used in studies of motor skill learning and motor function under healthy and pathological conditions, but can be ...

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Research

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Behavior

8.6K 조회수.  University Hospital Zurich.  패러다임은 쥐의 자동 숙련 된 도달 작업의 훈련과 분석을 위해 제공됩니다. 당기 시도의 분석은 운동 학습의 고유 한 하위 프로세스를 보여준다. 

비디오: Investigating Motor Skill Learning Processes with a Robotic Manipulandum

Study Motor Skill Learning by Single-pellet Reaching Tasks in Mice

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and retrieve food rewards positioned at a specific location, their motor performance (defined as accuracy and speed) improves progressively over time, and plateaus after persistent training. Once such reaching skill is mastered, its further maintenance does not require constant practice. Here we introduce a single-pellet reaching task to study the acquisition and maintenance of skilled forelimb movements in mice. In this video, we first describe the behaviors of mice that are commonly encountered in this learning and memory paradigm, and then discuss how to categorize these behaviors and quantify the observed results. Combined with mouse genetics, this paradigm can be utilized as a behavioral platform to explore the anatomical underpinnings, physiological properties, and molecular mechanisms of learning and memory.

Persistent practice improves the precision of coordinated movements.&#160;Here we introduce a single-pellet reaching task, which is designed to assess the learning and memory of forelimb skill in mice.&#160;

마우스의 단일 펠릿 도달 작업을 통한 학습 연구 모터 기술

Reaching for and retrieving objects require precise and coordinated motor movements in the forelimb. When mice are repeatedly trained to grasp and ...

연구

행동분석학

Methods to Explore the Influence of Top-down Visual Processes on Motor Behavior

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are deliberately planned, while others spontaneously occur below conscious awareness. The deliberate component of this dichotomy has been studied extensively in several contexts, while the spontaneous component remains largely under-explored. Moreover, how perceptual processes modulate these movement classes is still unclear. In particular, a currently debated issue is whether the visuomotor system is governed by the spatial percept produced by a visual illusion or whether it is not affected by the illusion and is governed instead by the veridical percept. Bistable percepts such as 3D depth inversion illusions (DIIs) provide an excellent context to study such interactions and balance, particularly when used in combination with reach-to-grasp movements. In this study, a methodology is developed that uses a DII to clarify the role of top-down processes on motor action, particularly exploring how reaches toward a target on a DII are affected in both deliberate and spontaneous movement domains.

It is unclear how top-down signals from the ventral visual stream affect movement. We developed a paradigm to test motor behavior towards a target on a 3D depth inversion illusion. Significant differences are reported in both deliberate, goal-directed movements and automatic actions under illusory and veridical viewing conditions.

모터 동작 톱 다운 비주얼 프로세스의 영향을 탐색하는 방법

Kinesthetic awareness is important to successfully navigate the environment. When we interact with our daily surroundings, some aspects of movement are ...

Acquisition of a High-precision Skilled Forelimb Reaching Task in Rats

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor learning and execution is of critical importance in order to understand the principles and processes that underlie motor function. Here we present a paradigm to study movement acquisition within a daily session of training (within-session) representing the fast learning component and primary acquisition as well as skilled motor learning over several training sessions (between-session) representing the slow learning component and consolidation of the learned task. This behavioral paradigm increases the degree of difficulty and complexity of the motor skill task due to two features: First, the animal realigns its body prior to each pellet retrieval forcing renewed orientation and preventing movement execution from the same angle. Second, pellets are grasped from a vertical post that matches the diameter of the pellet and is placed in front of the cage. This requires a precise grasp for successful pellet retrieval and thus prevents simple pulling of the pellet towards the animal. In combination with novel genetics, imaging and electrophysiological technologies, this behavioral method will aid to understand the morphological, anatomical and molecular underpinnings of motor learning and memory.

A paradigm is presented to analyze the acquisition of a high-precision skilled forelimb reaching task in rats.

숙련 된 앞다리가 쥐에서 작업을 도달하는 고정밀의 취득

Movements are the main measurable output of central nervous system function. Developing behavioral paradigms that allow detailed analysis of motor ...

Using Virtual Reality to Transfer Motor Skill Knowledge from One Hand to Another

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by observation or passive movement of trainee&#39;s hands by a robotic device). This obviously presents a major challenge in the rehabilitation of a paretic limb since voluntary control of physical movement is limited. Here, we describe a novel training scheme we have developed that has the potential to circumvent this major challenge. We exploited the voluntary control of one hand and provided real-time movement-based manipulated sensory feedback as if the other hand is moving. Visual manipulation through virtual reality (VR) was combined with a device that yokes left-hand fingers to passively follow right-hand voluntary finger movements. In healthy subjects, we demonstrate enhanced within-session performance gains of a limb in the absence of voluntary physical training. Results in healthy subjects suggest that training with the unique VR setup might also be beneficial for patients with upper limb hemiparesis by exploiting the voluntary control of their healthy hand to improve rehabilitation of their affected hand.

We describe a novel virtual-reality based setup which exploits voluntary control of one hand to improve motor-skill performance in the other (non-trained) hand. This is achieved by providing real-time movement-based sensory feedback as if the non-trained hand is moving. This new approach may be used to enhance rehabilitation of patients with unilateral hemiparesis.

가상 현실을 사용 하 여 다른 한 손으로에서 모터 기술 지식을 전송 하

As far as acquiring motor skills is concerned, training by voluntary physical movement is superior to all other forms of training (e.g. training by ...

The Knob Supination Task: A Semi-automated Method for Assessing Forelimb Function in Rats

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity largely use video analysis of reaching or food manipulation. While these tasks are easy to implement and are robust across disease models, they are subjective and laborious for the experimenter. Automating traditional tasks or creating new automated tasks can make the tasks more efficient, objective, and quantitative. Since rats are less dexterous than primates, central nervous system (CNS) injury produces more subtle deficits in dexterity, however, supination is highly affected in rodents and crucial to hand function in primates. Therefore, we designed a semi-automated task that measures forelimb supination in rats. Rats are trained to reach and grasp a knob-shaped manipulandum and turn the manipulandum in supination to receive a reward. Rats can acquire the skill within 20 &plusmn; 5 days. While the early part of training is highly supervised, much of the training is done without direct supervision. The task reliably and reproducibly captures subtle deficits after injury and shows functional recovery that accurately reflects clinical recovery curves. Analysis of data is performed by specialized software through a graphical user interface that is designed to be intuitive. We also give solutions to common problems encountered during training, and show that minor corrections to behavior early in training produce reliable acquisition of supination. Thus, the knob supination task provides efficient and quantitative evaluation of a critical movement for dexterity in rats.

This manuscript describes a semi-automated task that quantifies supination in rats. Rats reach, grasp, and supinate a spherical manipulandum. The rat is rewarded with a pellet if the turn angle exceeds a criterion set by the user. This task increases throughput, sensitivity to injury, and objectivity compared to traditional tasks.

손잡이 Supination 작업: 쥐의 Forelimb 함수를 평가 하기 위한 반 자동화 방법

Tasks that accurately measure dexterity in animal models are critical to understand hand function. Current rat behavioral tasks that measure dexterity ...

Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ultrasound. However, limited numbers of robots designed for extra-corporeal ultrasound have been successfully translated into clinical use. In this study, we aim to build a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination, which is lightweight and has a small footprint. The robot is formed by five specially shaped links and custom-made joint mechanisms for probe manipulation, to cover the necessary range of motion with redundant degrees of freedom to ensure the patient&#39;s safety. The mechanical safety is emphasized with a clutch mechanism, to limit the force applied to patients. As a result of the design, the total weight of the manipulator is less than 2 kg and the length of the manipulator is about 25 cm. The design has been implemented, and simulation, phantom, and volunteer studies have been performed, to validate the range of motion, the ability to make fine adjustments, mechanical reliability, and the safe operation of the clutch. This paper details the design and implementation of the bespoke robotic ultrasound manipulator, with the design and assembly methods illustrated. Testing results to demonstrate the design features and clinical experience of using the system are presented. It is concluded that the current proposed robotic manipulator meets the requirements as a bespoke system for extra-corporeal ultrasound examination and has great potential to be translated into clinical use.

This paper introduces the design and implementation of a bespoke robotic manipulator for extra-corporeal ultrasound examination. The system has five degrees of freedom with lightweight joints made by 3D printing and a mechanical clutch for safety management.

설계 및 구현 맞춤형된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파에 대 한

With the potential for high precision, dexterity, and repeatability, a self-tracked robotic system can be employed to assist the acquisition of real-time ...

공학

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

경직성이 있는 뇌졸중 환자의 스트레치 반사 측정을 위한 테스트 재검사 및 평가자 간 신뢰성을 향상시키는 이소키네틱 로봇 장치

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

생체공학

Non-Invasive Modulation and Robotic Mapping of Motor Cortex in the Developing Brain

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries unique challenges in children. Similarly, transcranial direct current stimulation (tDCS) can improve motor learning in adults but has only recently been applied to children. The use of tDCS and emerging techniques like high&#8211;definition tDCS (HD-tDCS) require special methodological considerations in the developing brain. Robotic TMS motor mapping may confer unique advantages for mapping, particularly in the developing brain. Here, we aim to provide a practical, standardized approach for two integrated methods capable of simultaneously exploring motor cortex modulation and motor maps in children. First, we describe a protocol for robotic TMS motor mapping. Individualized, MRI-navigated 12x12 grids centered on the motor cortex guide a robot to administer single-pulse TMS. Mean motor evoked potential (MEP) amplitudes per grid point are used to generate 3D motor maps of individual hand muscles with outcomes including map area, volume, and center of gravity. Tools to measure safety and tolerability of both methods are also included. Second, we describe the application of both tDCS and HD-tDCS to modulate the motor cortex and motor learning. An experimental training paradigm and sample results are described. These methods will advance the application of non-invasive brain stimulation in children.

We demonstrate protocols for the modulation (tDCS, HD-tDCS) and mapping (robotic TMS) of the motor cortex in children.

개발 뇌에서 모터 피질의 비 침습적 변조 및 로봇 매핑

Mapping the motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) has potential to interrogate motor cortex physiology and plasticity but carries ...

신경과학

Development of a Novel Task-oriented Rehabilitation Program using a Bimanual Exoskeleton Robotic Hand

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor control. However, it is unclear how conventional occupational training strategies can be applied to the use of rehabilitation robots. Novel robotic technologies and occupational therapy concepts are used to develop a protocol that allows patients with impaired upper limb function to grasp objects using their affected hand through a variety of pinching and grasping functions. To conduct this appropriately, we used five types of objects: a peg, a rectangular cube, a cube, a ball, and a cylindrical bar. We also equipped the patients with a robotic hand, the Mirror Hand, an exoskeleton&#160;hand that is fitted to the subject&#8217;s affected hand and follows the movement of the sensor glove fitted to their unaffected hand (bimanual movement training (BMT)). This study had two stages. Three healthy subjects were first recruited to test the feasibility and acceptability of the training program. Three patients with hand dysfunction caused by stroke were then recruited to confirm the feasibility and acceptability of the training program, which was conducted on 3 consecutive days. On each day, the patient was monitored during 5 min of movement in a passive range of motion, 5 min of robot-assisted bimanual movement, and task-oriented training using the five objects. The results showed that both healthy subjects and subjects who had suffered a stroke in conjunction with the robotic hand could successfully grasp the objects. Both healthy subjects and those who had suffered a stroke performed well with the robot-assisted task-oriented training program in terms of feasibility and acceptability.

This study reports the development of a novel robot-assisted task-oriented program for hand rehabilitation. The developmental process consists of experiments using both healthy subjects and subjects who have had a stroke and suffered from subsequent motor control dysfunction.

바이매뉴얼 외골격 로봇 핸드를 이용한 새로운 과제 지향 재활 프로그램 개발

A robot-assisted hand is used for the rehabilitation of patients with impaired upper limb function, particularly for stroke patients with a loss of motor ...

의학

In Vivo Wireless Optogenetic Control of Skilled Motor Behavior

Fine motor skills are essential in everyday life and can be compromised in several nervous system disorders. The acquisition and performance of these tasks require sensory-motor integration and involve precise control of bilateral brain circuits. Implementing unimanual behavioral paradigms in animal models will improve the understanding of the contribution of brain structures, like the striatum, to complex motor behavior as it allows manipulation and recording of neural activity of specific nuclei in control conditions and disease during the performance of the task. 
Since its creation, optogenetics has been a dominant tool for interrogating the brain by enabling selective and targeted activation or inhibition of neuronal populations. The combination of optogenetics with behavioral assays sheds light on the underlying mechanisms of specific brain functions. Wireless head-mounted systems with miniaturized light-emitting diodes (LEDs) allow remote optogenetic control in an entirely free-moving animal. This avoids the limitations of a wired system being less restrictive for animals' behavior without compromising light emission efficiency. The current protocol combines a wireless optogenetics approach with high-speed videography in a unimanual dexterity task to dissect the contribution of specific neuronal populations to fine motor behavior.