Количественная Обучение в маленьких детей: Отслеживание Leg действия Во время Discovery обучения Задача

Резюме

A method is described in which 3-4 month old infants learn a task by discovery and their leg movements are captured to quantify the learning process.

Аннотация

Задача-конкретные действия возникают в результате спонтанного движения в младенчестве. Было предложено, что действия конкретных задач возникают через процесс обнаружения обучения. Здесь описан способ, в котором 3-4 месячных детей узнать задачу открытия и их движений ног захватываются для количественной оценки процесса обучения. Эта задача открытие обучения использует младенческой включенный мобильный, который вращается и играет музыку, основанную на определенные действия ног младенцев. Лежа на спине детей активировать мобильный перемещая ноги вертикально по виртуальной порога. Эта парадигма является уникальным в том, что, как младенцы, независимо обнаружить, что их действия ног активировать мобильный, движения ног неонатальные отслеживаются с помощью системы захвата движения, позволяющий для количественного процесса обучения. В частности, обучение количественно с точки зрения продолжительности мобильного активации, положение дисперсия конечных эффекторов (футы), которые активируют мобильный телефон, изменения в бедра колена coordinaшаблоны Тион, и изменения в тазобедренных и коленных мышц крутящего момента. Эта информация описывает младенческой разведку и добычу на взаимодействии человека и экологических ограничений, которые поддерживают задачи конкретным действиям. Последующие исследования с помощью этого метода можно исследовать, как конкретные нарушения различных популяций детей с риском развития нарушения движения влияют на процесс обнаружения обучения для конкретных задач действий.

Введение

Задача-конкретные действия выйти из спонтанных движений в младенчестве. Было предложено, что действия конкретных задач возникают через открытие обучения процесса ^1,2. Задачи обнаружен младенцев, как они самопроизвольно двигаться и исследовать действия, которые производят новые эффекты в окружающей среде. Задач конкретные действия выступают как младенцы используют связи между своими действиями и их влияние на мир вокруг них. Тем не менее, мало известно о точных процессов, что младенцы исследовать и эксплуатировать научиться изменять свои спонтанные движения, чтобы выполнять действия под конкретные задачи. Здесь описан способ, в котором 3-4 месячных детей узнать задачу открытия и их движений ног захватываются для количественной оценки процесса обучения.

Рисунок 1: Младенческая пинать активирована мобильный задачу. Центр светоизлучающий диод (СИД), который прилагается к твердого тела каждого футов (желтый круг) активирует мобильный, когда он пересекает виртуальный порог (красная пунктирная линия). Re-печатается с разрешения Сарджент и др. ³

Эта задача открытие обучения использует младенческой включенный мобильный, который вращается и играет музыку, основанную на указанном действии ноги младенцев ^3. Младенцы, размещенные на спине под мобильный активировать путем перемещения их ноги вертикально по виртуальной порога (рисунок 1). Эта парадигма является уникальным в том, что, как младенцы, независимо обнаружить, что их действия ног активировать мобильный, движения ног неонатальные отслеживаются с помощью системы захвата движения, позволяющий для количественного процесса обучения.

Экспериментальный протокол включает в себя два дня сбора данных. День 1 состоит из 2 мин исходного состояния, в котором младенец пинает спонтанно, но его действия ногне может активировать младенца мобильного, а затем 6 мин состоянии приобретения, в котором действия ноге младенца активировать младенческой мобильный, если ребенок двигается ноги вертикально пересечь виртуальный порог. Этот протокол позволяет для количественного определения спонтанных действий ног младенцев, а также количественного различных аспектов движений, дети исследуют связь между их действиями ног и активации младенческой мобильный телефон. На 2-й день, в дополнение к 2 мин исходного состояния и 6 мин состоянии приобретения, вымирание состояние 2 мин добавляют в котором действия ноге младенца не активировать младенческой мобильный. Это позволяет для количественного определения, как младенцы изменить свои действия, когда ноги уже научились окружающей ответ прекращено.

В предыдущих младенческой мобильных парадигм, частота движения ног ^4-6 конкретной бедра и колена углы ^7,8, или ногами панель ⁹ были reinforcэд с мобильного движения. Производительность каждый день был определен как увеличение этих ног действий во время приобретения или исчезновения состоянии по сравнению с базовым условием ^4-9. Обучение по дням был определен как увеличение этих ног действий во время базового или приобретения состояния 3 дня и 2 или и исходного состояния Дня 1 ^5,6. Эти предыдущие мобильные парадигмы демонстрируют, что младенцы увеличить частоту действий ног, которые усиленную мобильного активации, однако, они не предоставляют информацию о движении варианты младенцы доступны для них при изучении задачи. Например, если частота ногами усиливается, младенцы демонстрируют эффективность и обучения, когда их скорость возрастает ногами либо при взаимодействии с мобильным или когда мобильный больше не активирует. Это показывает, что младенцы могут совершенствовать свои ногами курс, но это неизвестно, если дети могут совершенствовать свои координационный нога образец или крутящего момента производства до Generatе действия ног, которые не в их предпочтительной движения репертуара.

Этот мобильный парадигма является уникальным в том, что детей должны продемонстрировать более изысканный действия ног, чтобы активировать мобильный, чем в предыдущих мобильных парадигм. В этой мобильной парадигмы, высота каждой ноге выше таблицы вычисляется в течение 2 мин исходного состояния, используя данные о местоположении из светоизлучающего диода (LED), прикрепленной к каждой ноге. Виртуальный порог затем установить параллельно столу на высоте, которая в верхнем диапазоне от высоты обеих ног во время исходного состояния. Во время приобретения, мобильные вращается и играет музыку, если либо ноги переступает порог. Через 3 сек, мобильные остановки и активирует только если ребенок перемещает ногу ниже порога, а затем перемещает ногу вертикально и снова пересекает порог. Для активации мобильный для наибольшего количества времени, младенцы должны переместить ногу выше порога и поддерживать его против GRAVность в течение 3 сек, а затем быстро переместить ногу ниже порога и снова поместите его над порогом и удерживайте его там в течение 3 сек, и др. Это требует более совершенной меры ноги, чем просто увеличение скорости ногами.

Рисунок 2: без фильтра данные положения конечных эффекторов (футов) от представителя ребенка нефильтрованное данные о местоположении от 2-й день 3-месячного младенца, который продемонстрировали обучения, основанные на отдельных критериев обучения.. Красная линия положение данные г-координата светоизлучающий диод (LED), размещенные на правой ноге. Синяя линия данные положения с LED на левой ноге. Толстая черная линия таблице. Пунктирная линия Виртуальный порог размещены 14 см над столом, как определяется индивидуально для каждого ребенка на основе высоты их ногами во время базовойСостояние День 1. оси Х время помечены 2-минутными интервалами. Обратите внимание, как ребенок шевелит ногами во время базового когда мобильный не активировать и в течение первых 30 сек приобретения 1, то он последовательно держит обе ноги со стола и не движется ноги прямо за порогом на следующий 5½ мин до мобильного больше не активирует при условии экстинкции.

Вторая уникальная особенность этого мобильного парадигмы в том, что действие каждого ногу младенца отслеживается с помощью государственно-оф-искусства методы захвата движения для количественного как младенцы используют свои варианты движения, чтобы узнать задачу. Нефильтрованный данные позиционные LED на каждой ноге, который активирует мобильный одного из представителей ребенка показана на рисунке 2. Обратите внимание, как ребенок движется ноги на разных высотах над столом во время базовой и первой части приобретения, но затем перемещается обе ноги прямо вокруг порога в течение остальной части кондицион приобретенияне ния до мобильных больше не активируется во время исчезновения. Это один из многих возможных стратегий движения, чтобы выполнить задачу обнаружения обучения. Стратегии могут быть количественно определена путем расчета трехмерных кинематики и кинетики с использованием данных о местоположении, полученные от системы захвата движения. В частности, процесс обучения количественно в виде процента от усиленной ног действия (% РБА), которая равна продолжительности мобильного активации, дисперсии координаты конечных эффекторов (футов), которые активируют мобильные, хип-колено координации шаблоны и бедра и коленный сустав моменты.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

Экспертный совет при Университете Южной Калифорнии одобрил это исследование.

1. Подготовка системы

1. Настройте систему захвата движения. Пожалуйста, обратите внимание: эти шаги различны для каждой системы захвата движения.
   1. Совместите системы двух датчиков захвата движения в том, что одного датчика координат, нажав кнопку "Выполнить Регистрация нового" в программе захвата движения, введя время сбора 30 сек, нажав "Регистрация", и перемещение объекта регистрации в объеме захвата в течение 30 сек. При регистрации успешно завершена, наблюдать среднеквадратического (RMS) ошибка регистрации на экране компьютера.
   2. Совместите глобальной системы координат в таблице тестирования с использованием объекта регистрации, нажав кнопку "Выполнить новая расстановка" в программе захвата движения.
      1. Определить происхождение путем размещения регистрация OBJEКТ в верхнем правом углу таблицы тестирования и нажать кнопку "оцифровать" в программе захвата движения. Определить Z-ось путем размещения объекта регистрации сверху коробки и нажав "Оцифровка"; Z-оси, перпендикулярной к столу.
      2. Определите Z / Y + самолет, перемещая объект регистрации на поле по длине стола и нажав "Оцифровка"; Y-ось параллельна длине таблицы и X-ось параллельна ширине таблицы.
   3. Подключите светодиоды в двух стробоскопов портов и введите количество светодиодов в стробоскопа порта в рамках программы системы захвата движения (24 для стробоскопа порта 1 и 20 для стробоскопа порт 2). Обратитесь к рисунку 3 для количества и расположения каждого светодиода. Выберите недостающий вид данных, чтобы обеспечить ленточной диаграммы, как отображение светодиодов отслеживаются в режиме реального времени.
      Рисунок 3. Размещение светодиодов. Strobe 1 состоит из твердых тел (4 светодиода на каждой твердого тела) для правого и левого бедра, голени и стопы,. Строб 2 состоит из твердых тел для правых и левых таза, грудиной маркеров и отдельных светодиодов.
2. Настройте младенческой мобильного компьютерную программу.
   1. Ввод количество минут для каждого условия. День 1, вход 2 для фазы 1 (2 мин базового, без подкрепления состоянии), 6 для фазы 2 (приобретение 6 мин, арматуры состоянии), и 0 для фазы 3 (0 мин исчезновения, без подкрепления условие).
   2. Для 2-й день, вход 2 для фазы 1 (базовый уровень), 6 для фазы 2 (приобретения), 2 для фазы 3 (исчезновения), и проверить "Использовать Zmin как умолчанию", так что порог вычисляется во время базовой DAY1 будет порог используется для условия приобретения 2-й день.
   3. Выберите "StreamframesAllFrames" и нажмите кнопку "Отправить", чтобы включитьмобильная программа для использования данных из системы захвата движения, чтобы активировать младенческой мобильный основываясь на заданных критериев.
3. Настройка видео камер.
   1. Инициировать видео компьютерную программу для трех синхронизированных видео (правая боковая, левый боковой, накладные вид).
   2. Начните дополнительную видеокамеру над головой младенца, чтобы записать выражения лица и глаз взгляд.

2. Младенческая Подготовка

1. Опишите эксперимент для родителей и сообщать им взаимодействовать как можно с их ребенка.
   Примечание: сказать родителям, что, если ребенок не станет суетливым в течение всего эксперимента, родители должны сидеть рядом младенца пределами их мнению, однако, если ребенок становится суетливым есть прогрессирование взаимодействия с младенцем.
   1. Во-первых, попросите родителей, чтобы сказать, "Все в порядке, я здесь," в обнадеживает тона.
   2. Во-вторых, спроситеродитель стоять в целях младенца заверяя младенца.
   3. В-третьих, попросите родителей либо удерживайте одну из рук младенца или дать младенцу соску.
      ПРИМЕЧАНИЕ: наименьшее количество головной взаимодействия, необходимого для поддержания ребенка спокойным и оповещения дается и закончился как можно быстрее.
2. Раздень ребенка, положить ребенка под младенческой мобильный, и закрепите ребенка к столу, используя липучку размещены по стволу.
3. После младенец крепится к столу, поместите грудины маркеры и тазовой, бедро, голень и стопы твердых тел на ребенка.

3. Младенческая Мобильная учебная задача

1. Каждый день, инициировать задачу мобильного обучения, синхронно запуска системы захвата движения, мобильный компьютер программу, и видео камер.
   1. В эти дни из мин от 0 до 2, исходного состояния, наблюдать младенец спонтанно ногами.
   2. На 1-й день в течение 2 милип исходное условие, наблюдать, как мобильная программа младенец постоянно вычисляет порог для мобильного активации на основе Z-данных от одного из светодиодов твердого тела каждой ноги. Пример, маркер 9 на правой ноге и маркер 21 на левой ноге. Маркер 9 центр светодиод на правой ноге твердого тела жёлтый на рисунке 1. Маркер 21 центр светодиод на левой ноге твердого тела.
   3. В конце 2 мин исходно, мобильная программа устанавливает порог на высоте одно стандартное отклонение (SD) выше средней высоты обеих ног в течение 2 мин исходного состояния.
   4. На обоих дней с мин от 2 до 8, при условии сбора, наблюдать, как младенцев мобильных вращается и воспроизводит музыку, когда индикатор размещены по обе стопы пересекает порог, вычисленный в течение 2 мин исходного состояния в 1-й день.
      Примечание: Мобильный активации будет продолжаться до тех пор, пока нога выше порога виртуальной до максимум 3 сек. Через 3 сек, можелчных будет активировать только если ребенок перемещает ногу ниже виртуального порога, а затем перемещает ногу вертикально и снова пересекает порог. Это "3 сек правило" призывает активные движения ногой разведочных в сравнении проведение ноги выше порога.
   5. На 2-й день от мин 8-10, при условии исчезновения, наблюдать, как ребенок начинает спонтанно, без мобильного арматуры.
2. После младенец взаимодействует с подвижной, собирать статический суда калибровки, чтобы определить локальную систему координат для каждого сегмента ноги и определить опорную конфигурацию для каждого сегмента тела в пространстве.
   1. Fix десять отдельных светодиодов на двусторонней основе на кожу младенца, используя двусторонние ЭКГ воротники в следующих местах: боковое средней линии туловища ниже десятого ребра, большого вертела бедра, боковой коленного сустава линии, лодыжки латеральной лодыжки, и дистальный конец ^5-й плюсневой.
   2. Держите младенца нижней конечности впродлен, анатомическое положение в течение 5 сек. Все совместные углы в этом положении калибровки определяются как 0 °.
3. На 2-й день, собирать антропометрические данные.
   1. Взвесьте каждый младенец на цифровом электрической масштабе.
   2. Возьмите следующие измерения: общая длина ребенка; Окружность в середине сегмента бедра, голени и стопы,; ширина колена (в коленном суставе), линии лодыжки (в лодыжек), и нога (на плюсневых головок); и длина бедра (больше вертела в коленном суставе линии), хвостовика (коленный сустав линии латеральной лодыжки), и пешком (медиальной лодыжки к первому плюснефаланговом сустава).

Анализ 4. Данные

1. Анализ производительности и обучения путем вычисления% номинальной в течение каждого интервала 2 мин эксперимента с использованием программы на языке пользовательского вычисления таких как Matlab. Вычислить продолжительность времени один или оба светодиода на каждой ноге, которые активировали мобильного были выше порога. ПосколькуМобильный не активирует после интервалом 3 сек, вычесть продолжительность времени, в котором один или оба светодиода были выше порога больше, чем интервал 3 сек.
   1. Измерьте производительность группы каждый день, статистического анализа ли% номинальной в течение любого одного из интервалов сбора мин трех, 2 значительно превышает 2 мин базовой интервал ^3,4,7,9,10.
   2. Определение категории отдельных младенцев, как выполнив задачу каждый день, если% номинальной в течение любого одного 2-минутного интервала сбора равна или больше, чем в 1,5 раза% номинальной в течение 2 мин базового интервала ^3,4,6,9,10.
   3. Измерьте обучения группы через дней путем определения, превышает ли статистически% номинальной в течение всего сбора 6 мин состоянии 2-й день в% номинальной в течение базового состояния Дня 1 ^3,6.
   4. Определение категории отдельных младенцев как ученики, если% номинальной в течение всего 6 мин приобретения условии День 2 равна или GREAter чем в 1,5 раза исходного состояния Дня 1 ^3,6,11.
2. Анализ возбуждения и внимания кодирования видеозаписи в течение каждого 2-минутного интервала эксперимента. Шкала возбуждение определяется как: сонливость = 1, оповещения и неактивным = 2, проворный и активный = 3, суетливый = 4, и плачет = 5 ^3,8,11. Шкала внимание определяется как: 0 = не глядя на мобильный телефон, 1 = глядя на мобильный ^3,8.
3. Данные позиции процесса и экстракт ногами, используя пользовательские программы Matlab.
   1. Файлы данных позиции нагрузки с выхода системы захвата движения в пользовательском программы Matlab для интерполяции недостающих данных о местоположении (максимум 20 последовательных кадров), используя кубическую сплайн.
   2. Загрузите интерполированные файлов в пользовательской программе Matlab в () данные о местоположении, используя фильтр четвертого порядка Баттерворта с частотой среза 5 Гц, как определяется из анализа спектра мощности, и (б) вычислить следующие совместные углы: сгибание бедра / расширение, хип похищения/ Приведение, хип внешний / внутренний поворот, колено сгибание / расширение, инверсия лодыжки / выворачивания, лодыжки сгибание / plantarflexion, как описано в ^12.
   3. Загрузите угол файлов в пользовательской программе Matlab, чтобы извлечь ногами. Определить начало удара в начале непрерывного движения ног, в котором бедро или коленного сустава угол изменение превысил 11,5 ° (0,2 радиан) в любом сгибании или продления ^3,9,13-15. Определить конец удар в рамках пикового расширением следующей движения сгибания или пик сгибания в следующем движения расширения ^3,9,14.
4. Для всех ударов, вычислить кинематических параметров с использованием пользовательских программ Matlab.
   1. Вычислить расхождение позиций в г-направлении (по вертикали, задача конкретного направления) LED на каждой ноге, что активированный мобильный ^3.
   2. Вычислить хип сгибании / разгибании коленного и сгибании / разгибании совместные корреляций Пирсона коэффициентов корреляции (г) при нулевой задержкоймежду бедра и коленного сустава угол экскурсий. Для сравнения корреляции (г) между младенцев, конвертировать хип-угла коленного сустава корреляции Фишера Z баллов ^3,9,15.
   3. Время-нормализации совместные данные угол, а затем вычислить хип сгибании / разгибании коленного и сгибании / разгибании непрерывный относительную фазу (CRP) из угловых данных позиция / скорости ^16,17. Анализ результатов расчета CRP в следующих пяти временных точках: () начало удара, (б) пик скорость первого сегмента (с) совместное изменение, (г) пик скорость второго сегмента, и (е ) конец удар ^3.
5. Для всех ударов, определить бесконтактные удары при просмотре синхронные видеоданные. Вычислить кинетические параметры для бесконтактных ударов с использованием пользовательских программ Matlab.
   1. Вычислить массу сегментарный и центр инерции из уравнений модифицированных для детей от антропометрических модели Hatze для взрослых ^18. Вычислить 3D моменты инерциибедро, голень и стопы сегменты из уравнений модифицированы для детей от антропометрических модели Дженсена для взрослых ^19.
   2. Рассчитать сроки в следующем уравнении движения с использованием теории винта пространственных манипуляций ^20.
      
      происходит с помощью метода Лагранжа, где М (θ) является матрица инерции, Кориолиса и центробежная матрица крутящий момент, Н (θ) гравитационные (GRA) моменты и Т мышечные (MUS) моменты.
   3. Вычислить совместные моменты, используя кинематические данные 3D от бесконтактных ногами, тело сегмента инерциальных параметров, и биомеханических уравнения движения.
   4. Разделите чистый (нетто) крутящего момента на каждом суставе в движения зависит от (МДТ), СОР, и МУС момента взносов ^21. Полезного крутящего момента прямо пропорциональна ускорений на каждое соединение.МДТ крутящего момента относится к пассивной моментов, связанных с механических взаимодействий между движущимися между собой сегментов конечности. GRA крутящего момента относится к пассивной силой тяжести, действующей вниз по конечности. МУС момент включает в себя войска из активных сокращений мышц и пассивных деформаций мышц, сухожилий, связок и других околосуставных тканей.
   5. Для тазобедренного и коленного отдельно вычислить крутящий момент импульс как величины вклада каждого распределяют крутящий момент (МУС, GRA, МДТ) с чистой крутящего момента. Вычислить положительный или отрицательный импульс крутящего момента (момента времени) * во время интервалов, в которых колено МУС момент действовали в том же или противоположном направлении по сравнению с колена NET крутящего момента. Выполните эту же вычисления с колена ГРА и MDT моментов и хип МУС, СОР, и MDT моментов. Для тазобедренного и коленного отдельно, суммировать все положительные и отрицательные импульсы для каждого компонента крутящего момента, чтобы получить меру величины вклада каждого секционированных Импульс моментае (МУС, ГРА, МДТ) для NET импульса крутящего момента.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Процесс обучения молодых детей может быть количественно с точки зрения% РБА, положение дисперсия конечных эффекторов (футов), хип-колено угол коэффициентов корреляции и бедра и коленного сустава моментов. Каждый уровень анализа дает уникальную информацию о том, как младенцы исследова?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Дизайн-открытие учебных задач для маленьких детей

Открытие-учебных задач для маленьких детей должны быть тщательно разработан, чтобы гарантировать, что дети независимо обнаружения чрезвычайных ситуаций. В нескольких мобильных парадигм в начале условии приобретения, ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Optotrak Certus Position Sensor, Far Focus, with stand	Northern Digital Inc	8800852
Optotrak Data Acquisition Unit II (ODAU II)	Northern Digital Inc	8800767
Optotrak Vinten Stand, Certus with Quick Fix Adapter	Northern Digital Inc	8800855.002
Certus S-Type, Standard Configuration	Northern Digital Inc	8800761
Marker (7 mm) pair, c/w RJII connector and 8 ft cable	Northern Digital Inc	8001029.001
AC Line Cord, Medical Grade, North America	Northern Digital Inc	7500010
Cubic Reference Emitter Kit - Certus	Northern Digital Inc	8800768
3 Pylon IEEE 1394 cameras	Basler	A6021c
Vixia HG10 camcorder	Canon	2183B001
Adhesive Disks	MVAP Medical Supplies	E401-500
Reversible head support	Eddie Bauer	52556
Softstrap Strap	Sammons Preston	A34960
Digital Pediatric Scale	Healthometer	Model 524KL