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.

Burada açıklanan protokol Freiburg Üniversitesi etik komitesi kuralları takip ve Helsinki beyanı (1964) uyarınca oldu. 1. Etik Onay - Konu Öğretim <ol><li> Gerçek deneyden önce, çalışma ve potansiyel risk faktörleri amacı ile ilgili tüm konularda talimat. transkranial manyetik stimülasyon (TMS) uygularken, epileptik nöbetler, gözlerde ve / veya baş metal implantlar, kardiyovasküler sistem ve gebelik hastalıkları öyküsü de dahil olmak üzere bazı sağlık riskleri vardır. Çalışmanın bu risk faktörlerinden birine onaylayan herhangi bir konuyu hariç. </li><li> Çalışmada sadece sağlıklı bireyler yer alır. Herhangi bir nörolojik zihinsel ve / veya ortopedik hastalıklar ile bireylerin hariç. </li></ol> 2. Konu Hazırlığı <ol><li> Konu yerleştirme <ol><li> tüm deney boyunca, rahat bir sandalyede koltuk konular. kafa Fixistikrarlı bir baş pozisyonu sağlanması ve göreceli kafa TMS bobin herhangi hareketlerinden kaçınmak, boyun kucaklayan bir döküm kullanarak katılımcının. </li><li> bilek hareketlerini en aza indirmek için özel olarak inşa edilmiş kol dayanağı deneklerin sağ kolunu yerleştirin. Bir robot kola monte atel öznenin sağ işaret parmağını sabitleyin. Ortak merkez robot dönme merkezi ile çakışır, böylece sağ el metacarpophangeal eklem ile robot kolunun dönme eksenini hizalayın. </li></ol></li><li> kuvvet kayıtları <ol><li> Robot kolu monte edilmiş bir torkmetrenin göre sujeler tarafından uygulanmış kuvvet ölçülür ve robot 22 dönme eksenine bağlı bir potansiyometre ile (işaret parmağı konumuna karşılık gelen), robot kolunun pozisyonunu ölçer. </li></ol></li><li> Elektromiyografi (EMG) <ol><li> elektrofizyolojik TMS tarafından ortaya yanıt olarak muscula ölçmek için yüzey elektrotlarının bipolar konfigürasyonda kullanındenekler tarafından üretilen r aktivasyonu. <ol><li> sağ elin kas (DYY) interosseus ilk dorsal üzerinde deriye elektrotlar takılarak ve abdüktör brevis (APB) pollicis önce, biraz sonra, deneklerin cilt tıraş jeli zımpara kullanarak veya aşındırma onu aşındırmak ve propanol ile dezenfekte . </li><li> Bunu takiben, DYY ve APB kas karınlarına üzerinde deriye kendinden yapışkanlı EMG elektrotları ekleyin. Aynı kolun olekranon üzerinde ek bir referans elektrot yerleştirin. </li><li> Bir EMG amplifikatör ve bir analog-dijital dönüştürücü tüm elektrotlar kablo bağlayın. EMG sinyalleri yükseltmek (x 1.000), bant geçiren filtre (10 - 1000 Hz) ve 4 kHz örnek. çevrimdışı analiz için EMG sinyallerini saklayın. </li></ol></li></ol></li><li> TMS <ol><li> kontralateral motor kortikal eli alanı uyarmak için bir TMS stimülatörü bağlı sekiz bobin bir rakam kullanın. </li><li> ortaya çıkarmak için kafa derisine bobin göreceli en uygun pozisyonu bulunmotor haritalama prosedürü ile DYY kasta potansiyeller (MEP) uyarılmış: <ol><li> yaklaşık 0,5 cm önünde tepe ve bobinin merkezinde mevcut bir arka-ön akış uyaran, sagital düzleme 45 ° saat yönünün tersine göreli işaret kolu ile orta hat üzerinde bobin yerleştirin. </li><li> Başlangıçta, manyetik darbeleri alışık konuları almak için küçük bir stimülasyon (örn altında% 30, maksimum stimülatörü çıktı, MSO) yoğunluk seçin. </li><li> 3 en fazla% stimülatör çıkış (MSO) ve FDI uyarılması için uygun sitesi (sıcak nokta) bulmak için rostral ön-ve medial-yanal doğrultuda bobin hareket - Daha sonra, örneğin, 2 küçük adımlar halinde stimülasyon yoğunluğunu arttırmak kas. sıcak nokta büyük MEP belirli bir uyarım yoğunlukta görülmektedir yer olarak tanımlanır. </li></ol></li><li> DYY hotspot bulduktan sonra, minimu olarak motor eşik (MT) dinlenme belirlemekm yoğunluğu üç beş üzerinden ardışık çalışmalarda 18 EMG den büyük 50 mV MEP tepe-tepe genlikleri uyandırmak için gerekli. bilgisayar ekranında çevrimiçi görüntülenen milletvekillerinin boyutunu kontrol edin. </li><li> 1.0 * MT ile milletvekilleri elde edildikten sonra, sürekli olarak MEP artık görülebilir kadar% 2 MSO adımlarla TMS makinenin uyarılması yoğunluğunu azaltmak ve devam eden kas aktivitesi EMG bastırma belirginleşir. Not: TMS kaynaklı EMG bastırma tasvir etmek için uyarılara (bkz 5. &quot;Veri İşleme&quot;) yüksek sayıda uygulamak gerekir </li></ol></li></ol> 3. Geri Bildirim Sunum <ol><li> üç gruba (pF, fF, CON) halinde bölün. </li><li> robotik cihaz karşı basarak işaret parmağını hareket ettirirken parmağı (pozisyon geri beslemesi) konumu hakkında geribildirim almak için çalışmaların yarısında pozisyon geri besleme grubunun (pF) den konularda bilgiler. &lt;/ Li&gt; <li> çalışmaların diğer yarısında, robotik cihaz (force feedback) taşırken uygulanan kuvvet hakkında geribildirim almak için konuyu söyleyin. Not: Gerçekte, ancak, her zaman aynı geribildirim (pozisyon geri beslemesi) alırsınız. </li><li> çalışmaların yarısında kuvvet geri bildirim almak ve diğer yarısında pozisyon geri bildirim almak için force feedback grubunun (fF) den konularda bilgiler. Not: Aslında, bu grup, sadece bir güç geri besleme ile donatılır. </li><li> geribildirim kaynağı hakkında kontrol grubu (CON) talimat yok. Not: Kontrol grubu, diğer yarısı biri kendi çalışmaların yarısında pozisyon geri besleme geribildirim zorlamak alır. </li><li> Rasgele çalışmalar tüm gruplarda, kuvvet veya pozisyon geri başlamak ister, yani seans sırasını değiştirir. </li><li> Görme gücü ve bir bilgisayar ekranında pozisyon geri besleme konularında önünde 1 m yerleştirilir görüntüler. </li><li> Her iki durumda da, bir hedef hattı tekabül eden mevcut30 kişinin bireysel maksimal istemli kuvvet% veya bilgisayar ekranında% 30 maksimum istemli kasılma (MVC) de parmağı parmak açısı ve mümkün olduğunca yakından hedef hattını maç konuyu söyleyin. </li></ol> 4. Maksimum İzometrik Kuvvet <ol><li> Konu (EMG) hazırlandıktan sonra, 3 saniye zaman aralığında sıfırdan maksimuma izometrik kuvvet kademeli bir artış ve 2 sn 20,21 tutulan maksimal kuvvet oluşan üç izometrik maksimum istemli kasılmalar (MVC) gerçekleştirin. </li><li> Sözlü maksimal kuvvet elde etmek için konuyu teşvik ediyoruz. Her deneme sonra, denekler yorgunluğu önlemek için 90 saniye boyunca dinlenmeye bırakın. </li></ol> 5. Deney Prosedürü <ol><li> Yorucu Motor görevle kasılmalar Kabul edildi. Not: yorucu bir görev ayrı günlerde idam iki devamlı kasılmalar oluşur. <ol><li> % 30 MVC hedef hattını maç konularını öğretmeksürece mümkün bir çizgi uygulanan kuvvet ya da% 30 MVC bir güç seviyesine tekabül eden, parmak hareketinin tespit tekabül eden. Not: denekler% 30 MVC kuvvet düzeyini eşleştiğinde pozisyon geri besleme durumu (pF grup) sırasında hedef hattı, bu nedenle parmak açıya karşılık gelir. </li><li> konular artık 5 sn (fF grubu) bir süre içinde hedef gücünün% 5 pencere içinde hedef kuvvetini tutmak mümkün noktası olarak tanımlanan görev yetmezliği kadar kasılmaları tutmak için konuları isteyin. PF-grup için, katılımcılar 5 saniye 12,23 için gerekli hedef açısı% 5 içinde parmak açısını korumak için edemiyoruz olduğu gibi görev başarısızlık tanımlar. </li><li> İki sürekli kasılmalar en az 48 saat ile ayrılmış olduğundan emin olunuz. </li></ol></li><li> TMS-protokol Not: eşikaltı TMS deney yorucu kasılmaları ayrı günde gerçekleştirilir. yorgunluk bir etkiye sahip olduğu bu önemlisubTMS 24,25 böylece kuvvet ve pozisyon arasındaki farklar tarafından uyarılmış EMG bastırma açıkça tespit edilemez. TMS ölçümlerinden yorucu kasılmalar ayıran EMG bastırma farklılıklar artık açıkça geribildirim farklı yorumlanması atfedilebilir avantajına sahiptir ancak sonuçlar doğrudan yorgunluğa zaman farklılıklara bağlanamaz sınırlama vardır sürekli kasılma. <ol><li> TMS kullanarak deney parçası Davranış yorucu deneyler daha ayrı bir vesileyle (ayrıca bölüm 3. &quot;Geri Bildirim sunumu&quot; bölümüne bakınız). Başlangıçta, yorucu kasılma (örneğin, MVC kasılmalar), ancak bu süre tam olarak aynı prosedürü takip sadece sürece TMS stimülasyonu sürer gibi kasılmalar tutmak için konuyu sormak. Böylece, kasılmalar fatigable ve sadece her TMS yargılama sırasında yaklaşık 100 saniye boyunca düzenlenen değildir. </li><li> tri arasında 3 dakikalık bir mola vermekals yorgunluk herhangi bir önyargı en aza indirmek için. </li></ol></li></ol> 6. Veri İşleme <ol><li> TMS <ol><li> 0.8 ile 1.1 s 20,21,25,26 değişen arası uyaran aralığı ile, uyarı olmaksızın 100 temizleyicileri, 50 süpürür ve 50 Piyango toplam uygulayın. Bu kısa interstimulus aralık konular çok uzun bu yüzden yorucu etkiler minimize edilebilir için kasılmaları tutmak gerekmez emin olur. </li><li> TMS stimülasyon bir kolaylaştırma (MEP) veya EMG bastırma neden olduysa analiz etmek, stimülasyon (kontrol EMG) 20,21,25-27 olmadan 50 Piyango gelen stimülasyonu (stimüle EMG) ile rektifiye ve sonra ortalama 50 temizleyicileri çıkarın. Not: EMG bastırma başlangıcı stimülasyonu ile tarama için ortalama EMG TMS darbe sonrası 20 ile 50 milisaniye arasında bir zaman aralığında en az 4 ms kontrol EMG daha az olduğu zaman noktası olarak tanımlanmaktadır. bastırılması uç t olarak tanımlanmaktadıruyarılmış EMG yüzde değişim olarak hesaplanan en az 1 ms için kontrol EMG ve bastırma ölçüde daha büyük olduğu zaman o anlık (kontrol x 100 / ortalama kontrol ile uyarılmış). </li><li> Arka plan EMG aktivasyonu hesaplanması için TMS uyarı olmaksızın süpürür kullanın ve stimülasyon 20,21,25,26 ile denemeler aynı zaman penceresi üzerinde onları ortalama. </li></ol></li><li> EMG <ol><li> MVC 20,21 testleri sırasında ölçülen pik kuvveti etrafında 0.5s zaman penceresinde kaydedilmiş kök ortalama kare değeri hesaplanarak maksimal EMG aktivitesini belirler. </li><li> Sürekli kasılmalar, rektifiye EMG kök ortalama kare MVC çalışmalarda 20,21 sırasında elde edilen EMG aktivitesi hesaplanır ve normalize 8&#39;in sn uzun depo inşa ederek EMG analiz. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

güçlendirilmiş geribildirim yorumlanması sürekli submaksimal kasılma yorgunluk ve primer motor korteksin nöral işleme süresini etkiler ise bu çalışmada araştırılmıştır. Sonuçlar en kısa sürede katılımcıların pozisyon geri besleme olarak geri yorumladığı gibi (kuvvet geri bildirim karşılaştırıldığında) olduğunu göstermektedir, yorgunluk zamanı anlamlı olarak kısa ve (subTMS neden EMG bastırma miktarı olarak ölçülmüştür) motor korteksin inhibitör aktivitesi olan oldu daha ...

Duyusal geribildirim hareketleri gerçekleştirmek için çok önemlidir. Günlük aktiviteler Propriosepsiyon 1 yokluğunda pek mümkün bulunmaktadır. Ayrıca, motor öğrenme proprioseptif entegrasyon 2 veya deri algı 3 etkilenir. Sağlam hissi ile sağlıklı insanlar duruma özgü ihtiyaçları 4 karşılamak amacıyla çeşitli duyusal kaynaklardan kaynaklanan duyusal girdilerin ağırlıklarının mümkün bulunmaktadır. Ağırlığında Bu duyusal (koyu ya da gözleri kapalı yürüyüş gibi) duyusal bilginin bazı yönleri güvenilmez, hatta yok bile yüksek hassasiyet ile zor görevleri gerçekleştirmek için insanları tanır. Buna ek olarak, çeşitli kanıtlar geri arttırılmış (veya daha fazla) sağlanması daha da motor kontrolü ve / veya motor öğrenmeyi artırdığı göstermektedir. Augmented geribildirim duyusal kaynaklanan görev içsel (duyusal) geribildirim eklenebilir bir dış kaynak tarafından ek bilgiler sağlarSistem 5,6. Özellikle motor kontrol ve öğrenme üzerine artar geribildirim içeriğinin etkisi son yıllarda büyük ilgi olmuştur. Sorulardan biri ele kontrol gücü ve konumunu 7,8 insanlarda nasıl oldu. İlk araştırmalar konum veya yük uyumlu geribildirim ve farklılıkları zorlamak kullanarak sürekli bir submaksimal kasılma yorgunluk zaman farklılıkları tespit (örneğin, 9-12). konular kuvvet geribildirim ile sağlanan zaman, sürekli kasılma yorgunluk zamanı önemli ölçüde daha uzun pozisyon geri besleme sağlandı ne zaman karşılaştırıldı. Aynı olay, motor ünite işe daha büyük bir oranı ve (gözden 13) konumunu kontrol kasılma sırasında H-refleksi bölgede daha büyük bir azalma da dahil olmak üzere, farklı bir kas ve ekstremite çeşitli pozisyonlarda ve nöromüsküler bir dizi mekanizma gözlemlendi. Bununla birlikte, bu çalışmalarda, görsel geri besleme, aynı zamanda, fiziksel Cı sadecekas kasılması haracteristics (yani., ölçüm cihazının uygunluk) değiştirildi. Bu nedenle, son zamanlarda uyum değiştiren bir çalışma yürüttük ama sadece primer motor korteks (M1) içinde inhibitör aktivitesi farklılıklara neden olabilir geribildirim artar ve sürekli submaksimal kasılması sırasında kanıt kuvvet ve yalnız pozisyon geri besleme o karşılık ayırmıştır. Bu kortikal seviyede 14, yani eşik altı transkranial manyetik stimülasyon (subTMS) de sadece hareket bilinen bir uyarım tekniği kullanılarak gösterilmiştir. Suprathreshold TMS aksine, subTMS tarafından uyarılmış yanıt spinal α-motor nöronlar ve uyarılma uyarıcı nöronlar ve / veya kortikal hücrelerin 15-17 eksitabilite değil, sadece inhibitör intrakortikal nöronlar eksitabilite modüle değildir. Bu uyarım tekniği arkasındaki öne mekanizması motor uyarılmış potansiyel uyandırmak için eşik değerinin altında yoğunluklarda uygulanabilir olmasıdır(MEP). Bu uyarım bu tip herhangi inen faaliyeti üretmek değil servikal düzeyde implante elektrotları olan hastalarda gösterilmiştir ama bu öncelikle primer motor korteks 14,18,19 içinde inhibitör internöronlardan harekete geçirir. inhibitör Bu aktivasyon devam EMG aktivitesinde bir azalmaya neden olur ve uyarı olmaksızın çalışmalarda elde edilen EMG aktivitesine kıyasla EMG bastırma miktarı ile tayin edilebilir. Bu bağlamda, biz denekler geribildirim 20 sağlandı zorlamak hangi çalışmalarla karşılaştırıldığında pozisyon geri bildirim aldık hangi çalışmalarda anlamlı olarak daha fazla inhibitör aktivitesini görüntülenen gösterdi. Ayrıca, biz de farklı geribildirim modaliteleri (pozisyon kontrolü vs kuvvet) değil, aynı zamanda geribildirim yorumlanması sunumu sadece davranışsal ve nörofizyolojik verilere çok benzer etkilere sahip olduğunu göstermiştir. biz katılımcılara hitaben yaptığı konuşmada Daha spesifik olarak, s almak içinkonumumuzu geribildirim (o force feedback olmasına rağmen) onlar da yorgunluk kısa bir zaman değil, aynı zamanda inhibitör M1 aktivitesinin 21 artan bir seviyede görüntülenir sadece. Içeriği hakkında farklı bilgiler ile aynı geribildirim ama her zaman sağlanan bir yaklaşım kullanarak görev kısıtları, yani geribildirim sunumu, geribildirim kazanç veya yükün uyum böylece koşulları arasında aynıdır avantajına sahiptir performans ve nöral aktivitenin farklılıklar geribildirim yorumlanmasında farklılıklar açıkça ilişkili ve farklı test koşullarında önyargılı olmadığını. Böylece, mevcut çalışma birinin farklı yorumlanması ve aynı geribildirim sürekli submaksimal kasılma süresini etkiler ve ayrıca primer motor korteksin inhibitör aktivitesinin aktivasyonu üzerinde bir etkisi olup olmadığı araştırıldı.

<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.

Geribildirim yorumlanması Burada anlatılan prosedüre denekler pozisyon geri almış onların çalışmaların yarısında inanan bir şekilde talimat ve çalışmaların diğer yarısında force feedback almış. Aslında, onlar pF grup her zaman konum geri besleme ve her zaman kuvvet geribildirim aldı fF-grubu aldı onlar onların çalışmaların yarısında fırsattı. <p class="jove_content" fo:keep-togeth...

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.

İnsanlardaki Kuvvet ve Konum Kontrolü - Artırılmış Görüşleri Rolü

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

Research

JoVE Journal

Behavior

7.8K Görüntüleme.  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.

Haptik / Grafik Rehabilitasyon: Sanal Ortam Kitaplığı Robot entegre ve İnme Tedavisi için uygulanması

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

Biyomühendislik

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.

Geliştirilmiş Çok Fonksiyonlu Protez Kontrolü için Yapılandırılmış Rehabilitasyon Protokolü: Bir Olgu Sunumu

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

Davranış

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.

Hareket Performans Gerçek zamanlı geri bildirim ile yeniden eğitimi

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

Tıp

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.

Makine sinirsel arayüzü ile çalışan protezleri eylemler üzerinde ajansı duygusu karakterizasyonu

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.

Vibro-dokunsal geribildirim ile nesne aktarımı sırasında uyumsuz görsel-dokunsal uyaranlara uygulama

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.

Yakın Döngü Arabirimi Kullanarak Yeniden Parametrelendirilmiş ÇevreSel Sinyallerin Gerçek Zamanlı Proxy Kontrolü

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.

Vibrotactile Uyaranların için İstemli motor Yanıtları güncelliği ve doğruluğundan değerlendirilmesi için bir yöntem

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.

İnsan Postural Kontrolünü İncelemek İçin Deneysel Yöntemler

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.

WheelCon: İnsan Sensorimotor Kontrolü Eğitimi için Tekerlek Kontrolü Tabanlı Oyun Platformu

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

Nörobilim

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.

Geri Bildirimin Etkileri

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