Un tattile automatica Passive-Finger stimolatore (TAPS)

Introduzione Il Tactile automatico passivo-Finger stimolatore (TAPS) è un sistema computerizzato che preme superfici strutturate sulla pelle al fine di valutare l'acuità tattile spaziale di una persona. Abbiamo progettato e costruito il dispositivo in Duquesne University, e modificato per la sua forma attuale nel McMaster University. Qui, forniamo una panoramica della funzione dei rubinetti. Abbiamo poi descrivere i componenti del dispositivo, in modo da facilitare la sua riproduzione da altri ricercatori. Infine, mostriamo come RUBINETTI viene utilizzato per condurre un esperimento psico-fisico. 1. Panoramica del dispositivo RUBINETTI sfrutta la gravità di premere una superficie stimolo contro la pelle (Fig. 1). Braccio del soggetto riposa comodamente in posizione prona su un tavolo. La punta di un dito (o la zona della pelle da testare) si trova in un tunnel nella tabella. Sotto il tavolo, un motore passo-passo ruota un disco che contiene fino a 40 pezzi stimolo, il posizionamento uno dei pezzi sotto il tunnel. La gravità esercita una forza verso il basso su una massa appesa da un capo di una canna rotante. Una traversa che si estende dal trasporto di un attuatore lineare impedisce l'asta di muoversi. Come i motori attuatore in avanti, i perni asta sotto l'influenza della gravità, la pressione di un pezzo di stimolo verso l'alto attraverso il tunnel e sulla pelle. Semplice fisica in relazione la velocità dell'attuatore per la velocità con cui la superficie stimolo sale a contatto con la pelle, e il peso della massa appesa alla forza statica dello stimolo tattile. Come l'attuatore inverte la direzione per tornare l'asta nella sua posizione di partenza, il pezzo stimolo gocce. Così, il dispositivo si applica stimoli tattili con forza controllata, velocità, durata del contatto, e inter-stimolo intervallo. Il soggetto sceglie un pulsante con la non testati a mano per registrare una risposta. TAPS rileva la risposta e procede a fornire lo stimolo successivo. Figura 1. La fisica di rubinetti. TAPS controlla sia la velocità di insorgenza e lo stato stazionario forza dello stimolo. Insorgenza di velocità: Come la traversa da un attuatore lineare (rosso) si sposta verso destra con velocità V 1, l'estremità sinistra della barra di rotazione scende sotto l'influenza della gravità, l'estremità destra della barra verso l'alto quindi preme un pezzo di stimolo verso il dito con velocità V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Dal V 1 è sotto il controllo del computer, V 2 può essere impostato su qualsiasi valore desiderato dal ricercatore. Forza: La gravità esercita una forza verso il basso, F 1 = Mg, sulla massa M (dove g = 9,8 m / s 2). Questo fa sì che il pezzo stimolo a premere contro il dito con una forza verso l'alto, F 2. Per un asta priva di massa, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Dal momento che l'asta non è infatti priva di massa, F 2 è determinato empiricamente, mediante misurazione con un sensore di forza. Per eseguire regolazioni fini di F 2, il ricercatore può cambiare la posizione di M lungo l'asta. F 2 aumenta un po 'come M è spostato a sinistra (crescente L 1), e diminuisce un po' come M è spostata a destra (decrescente L 1). Per rendere più grandi adattamenti F 2, la massa può essere modificato. 2. Componenti e dettagli della funzione di dispositivo i. Parti in movimento RUBINETTI utilizza due motori passo-passo, uno per guidare il trasporto di un attuatore lineare, e un altro per ruotare il disco contenente i pezzi stimolo. Questi due motori a controllare tutte le parti in movimento TAPS '. Queste parti si trovano su un tavolo basso che è meccanicamente disaccoppiato dalla tabella in alto sulla quale braccio del soggetto riposa. Perché le due tabelle sono disaccoppiati, le vibrazioni causate dal motore non si trasferiscono alla pelle. Le tabelle sono allineate con cura in modo che il tunnel attraverso la tabella in alto si trova direttamente sopra il pezzo stimolo contattato dalla bacchetta di rotazione. Abbiamo lavorato 40 slot quadrato intorno alla circonferenza del disco rotante, per ospitare i pezzi stimolo. Abbiamo costruito pezzi stimolo da rotondo aste in plastica, la lavorazione delle barre di avere alberi di piazza che si inseriscano sugli slot del disco. Questo assicura che i pezzi non ruotano nei loro alloggiamenti, come il disco gira. Abbiamo tagliato le superfici stimolo in faccia rotonda dei pezzi. Quando i motori attuatore porto assegnato, al termine dell'asta rotante di fronte alla massa appesa sale a contatto con il fondo del pezzo stimolo selezionato. Poiché l'asta descrive un arco come di girarsi in alto, è in forma con una ruota leggera cuscinetto in plastica per eliminare l'attrito con il fondo del pezzo stimolo. Questa ruota gira un po 'di plastica in quanto spinge il stimulus pezzo verso l'alto, senza la ruota di plastica, la fine dell'asta tirava la base del pezzo leggermente lateralmente (verso sinistra in Fig. 1.), causando il pezzo di marmellata all'interno della galleria attraverso la tabella in alto. Per assicurare una traiettoria liscia verso l'alto del pezzo, il tunnel è in forma con un collare di plastica che è smussato per dirigere il pezzo verso il centro del tunnel, come il pezzo si alza. ii. Sensori RUBINETTI si avvale di sei sensori per assicurare un corretto funzionamento: due sensori a casa, tre sensori limite, e un sensore di forza. L'attuatore e sensori a casa disco segnale al computer che il trasporto attuatore e il disco sono nella loro posizione iniziale desiderata all'inizio di un esperimento. Il sensore casa attuatore è un sensore ad effetto Hall, il sensore di casa è un disco a forma di U sensore fotoelettrico, attivato quando un pezzo di carta rigida incollati al cerchio disco interrompe il raggio infrarosso del sensore. Quando il disco è in posizione di riposo, uno slot particolare è allineato direttamente sotto il tunnel nella tabella superiore. Tutti i successivi calcoli movimento disco sono fatti relativi a questa posizione nota di partenza. Il limite di tre sensori servono come dispositivi di sicurezza in caso di malfunzionamento. Per impedire il movimento del carrello fuori controllo attuatore nel caso improbabile di un malfunzionamento di controllo, l'attuatore è in forma con sensori limite in avanti e indietro (sensori a effetto Hall). Se attivato, questo potere di tagliare l'attuatore. Per evitare che il movimento del disco nel caso in cui un pezzo stimolo diventa bloccato in galleria, una a raggi infrarossi retro-riflettente del sensore è attaccato alla superficie inferiore della tavola superiore. Un pezzo che è sufficientemente elevata per entrare nel tunnel rompe il cast raggio infrarosso da questo sensore, e tensioni di comando blocchi di raggiungere il disco motore passo-passo. Il sensore sesta e ultima è un sensore di forza che si appoggia delicatamente sul unghia del soggetto (Fig. 2). Questo sensore rileva il basso (nel tunnel), in avanti o indietro il movimento delle dita. Il programma scarta prove in cui il movimento si è verificato. Poiché il sensore è collegato a un braccio rigido, impedisce inoltre il dito di muoversi passivamente verso l'alto a contatto con il pezzo in aumento. Dal momento che usiamo per testare RUBINETTI passiva (dito stazionaria) tattile acuità spaziale, il sensore di forza è un elemento cruciale. Come precauzione finale contro il movimento delle dita, abbiamo posto le barriere di plastica delicatamente ai lati del dito per impedire movimenti laterali. Figura 2. Sensore di forza per rilevare il movimento delle dita. A. Le presse sensore di forza a 90 gradi sulla superficie dell'unghia, vicino alla cuticola, con una forza tra i 50 ei 80 grammi. B. Esempio sensore traccia forza mostrando uno secondo precedente contatto del pezzo stimolo con il dito, seguito da un secondo di contatto mantenuto con il dito fermo. Si noti che, al contatto (tempo = 0), la forza del pezzo stimolo dal basso spinge di più il dito con decisione contro il sensore (pendenza crescente in vigore traccia). C. Se il soggetto tenta di spostare il dito verso il basso a sentirsi meglio la superficie di stimolo, poi la forza tra l'unghia e il sensore diminuisce (freccia). Il sensore registra anche le fluttuazioni forza se il soggetto si muove il dito avanti o indietro. RUBINETTI è programmato per scartare le prove in cui la forza di contatto tra il sensore e l'unghia oscilla di più di una soglia (per esempio, 20 grammi), mentre la pelle è a contatto con la superficie stimolo. Utilizzando un computer-generated voce, RUBINETTI può facoltativamente avvertire il tema che il movimento è stato rilevato. iii. Smorzamento delle vibrazioni e suoni RUBINETTI 'motori passo-passo producono vibrazioni, e questo a sua volta provoca il suono. Entrambe le vibrazioni e il suono sono indesiderabili. Vibrazioni, se trasmessi alla pelle, potrebbero interferire con la capacità del soggetto di svolgere il compito tattile. Nel corso del tempo, le vibrazioni potrebbero provocare instabilità anche nei componenti meccanici TAPS '. Suono potrebbe distrarre il soggetto. Per queste ragioni, abbiamo preso misure per ridurre sia le vibrazioni e il suono, e per prevenire le vibrazioni di raggiungere il soggetto. Ancora più importante, le tabelle inferiore e superiore non siano a contatto tra loro. Sono collegati solo nel senso che entrambi contattare il pavimento. Quindi, le vibrazioni dei motori, che poggiano sul tavolo basso, non viene trasmesso al braccio del soggetto, che si basa sulla tabella superiore. Inoltre, le vibrazioni e il suono sono ridotto come segue: una tenda in fibra di vetro che racchiude la tavola inferiore muffole suono del dispositivo; PVC / fiBER rinforzato cuscinetti anti-vibrazioni inserita tra l'attuatore e la sua base assorbire una parte dell'attuatore-vibrazioni prodotte, mentre la base attuatore si siede su quattro supporti in gomma sandwich di forma cilindrica che servono a smorzare ulteriormente le vibrazioni, il disco di motore passo-passo di base si trova anche su supporti in gomma ( stantuffo della siringa in gomma); e silicone O-ring circondano gli alberi dei pezzi stimolo, riducendo il rumore come il disco gira. iv. Stimolo Pezzi RUBINETTI utilizza modificato mezzo pollice aste di diametro di premere superfici spazialmente strutturato sulla pelle (Fig. 3). Le aste sono lavorate ad avere alberi quadrati. Le facce rotonde delle aste contenere le superfici di stimolo, gli alberi piazza delle aste inseriscono nel 40 slot piazza attorno alla circonferenza del disco rotante, garantendo che le superfici di stimolo mantenere il loro orientamento corretto, come i giri del disco. Le superfici stimolo possono essere lavorate in faccia asta. Abbiamo usato RUBINETTI principalmente per applicare griglie ad onda quadra (cioè, creste e solchi paralleli). Per creare questi, abbiamo iniziato con 0,5 "di diametro Delrin bacchette di plastica cilindrici, 3" di lunghezza. Utilizzando una macchina fresatrice Sherline, abbiamo tagliato le aste a 2.75 "di lunghezza, con 2" quadrato-lungo sezione alberi (8,7 x 8,7 mm), e un 0,75 "-lungo, 12,74 mm tondo diametro testa cilindrica. Abbiamo poi macinato scanalature nel viso tondo per creare le superfici stimolo. Ogni superficie stimolo è cresta uguale e larghezze di scanalatura. Abbiamo fatto pezzi con larghezze di scanalatura da 0,25 a 3,10 millimetri in incrementi di 0,15 mm. Abbiamo fatto due pezzi identici stimolo per ciascuno di questi 20 larghezze di scanalatura , con conseguente totale di 40 pezzi. Abbiamo poi inserito i pezzi nelle fessure piazza del disco in modo che ogni larghezza della scanalatura è stata rappresentata sia in verticale (parallela all'asse lungo del dito) e orizzontale (trasversale rispetto all'asse lungo del dito ) orientamento. Figura 3. Pezzo stimolo. Ogni superficie stimolo viene fresata in faccia una canna con diametro 0,5 pollici Delrin. La base dell'asta è tagliato ad una sezione quadrata, permettendogli di adattarsi al ritagli piazza del disco rotante. La superficie del pezzo mostrato è un onda quadra reticolo, con scanalature parallele e creste di uguale larghezza. v. Computer di controllo RUBINETTI è completamente automatizzata, sistema computerizzato. Hardware e configurazioni software per molti potrebbe essere usato per controllare il dispositivo. Al momento uso un G3 Macintosh con LabVIEW 6.1 (National Instruments). Il computer comunica attraverso una scheda controller del motore con un driver motore passo-passo per comandare l'attuatore e motori disco, e di leggere i sensori casa e finecorsa. A bordo di acquisizione dati PCI legge il sensore di forza e di pulsanti di risposta soggetto. vi. Forza e Timing Limitazioni Intervallo di forza: Abbiamo usato RUBINETTI per fornire stimoli con le forze che variano da 10 a 50 grammi. Abbiamo il sospetto che l'attrito nei componenti sarebbe impedire la consegna di stimoli in forze sotto di circa 5 grammi, e che alcune instabilità meccaniche sorgerebbero per le forze in eccesso di circa 100 grammi. Inter-stimolo intervallo (ISI): La distanza tra le superfici stimolo e il dito, e le velocità stabile del disco attuatore lineare e motore passo-passo, insieme fissare un limite inferiore per l'ISI che il dispositivo può raggiungere. Stimiamo questo limite a circa 1,5 secondi. Così, il dispositivo non è adatto per applicazioni quali gli esperimenti di mascheramento, che richiedono sub-secondo ISI. 3. Condurre un esperimento Qui si descrive un protocollo per i quali TAPS può essere utilizzato: un intervallo di due a scelta forzata (2-IFC) orientamento al compito grata (GOT) con tracking Bayesiano adattivo. TAPS può essere programmato per molti altri protocolli psicofisico pure. Lo abbiamo usato in precedenza per condurre esperimenti 2-IFC con 1,2 scala tracking e con il metodo degli stimoli costanti. Naturalmente, è in grado di condurre sì / no procedure, nonché 2-IFC. Per la 2-IFC GOT compito, usiamo grate onda quadra che contattare il pad distale del dito con 4 cm / sec di velocità insorgenza, 50 gr di forza di contatto, e la durata di 1 sec contatto. Ogni prova è costituito da due presentazioni stimoli sequenziali (ISI: 2 sec) con griglie di larghezza della scanalatura identici, ma differenti di 90 gradi in orientamento. In una presentazione, le scanalature sono allineati in verticale (parallelo), e negli altri, in senso orizzontale (trasversale), lungo l'asse del dito. Per stimolo è scelto a caso dal programma del computer. Il soggetto indica se l'orientamento orizzontale avvenuto nell'intervallo di primo o secondo, premendo uno dei due tasti con la mano non testati. Un metodo bayesiano adattivo regola groove larghezza da prova a prova. Noi RUBINETTI programmato con una versione modificata del metodo psi (Ψ), un algoritmo adattivo bayesiano 3. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di adattamento, quali i metodi scala. In primo luogo, il metodo psi stime non solo un singolo punto sulla funzione psicometrici (per esempio, la soglia del 71% stimato da una scala verso il basso 2-1-up), ma l'intera funzione psicometrica. In secondo luogo, il metodo si ottiene bayesiano distribuzioni di probabilità a posteriori (e quindi gli intervalli di confidenza) per i parametri della funzione psicometrica. Infine, il metodo è efficace. Tiene in memoria molte migliaia di possibili forme funzione psicometrica, e aggiorna la probabilità a posteriori di ogni funzione, dopo ogni risposta. Utilizza quindi una procedura prevista minimizzazione dell'entropia di scegliere lo stimolo successivo, cioè, sceglie lo stimolo per ogni prova che si prevede di massimizzare il guadagno di informazione. A seguito di Kontsevich e Tyler 3, abbiamo modellato d-prime in funzione potenza di livello stimolo, e la funzione psicometrica di ogni soggetto – P c (x), la probabilità di una risposta corretta in funzione del livello di stimolo, x – come una miscela di cumulativo normale (probit) funzione e un termine di gradiente: Qui, una è la soglia (livello di stimolo pari al 76% di probabilità di risposta corretta, d-prime = 1), e b è l'inclinazione della funzione psicometrica del soggetto. Abbiamo modificato l'algoritmo di Ψ trattando il gradiente (delta) come parametro di valore sconosciuto, e calcolando un "fattore di Bayes indovinare" dopo ogni prova: Questo fattore di Bayes è un rapporto di verosimiglianza che confronta la probabilità dei dati in ipotesi 1, che il soggetto è indovinare, alla probabilità dei dati in ipotesi 2, che il soggetto ha una funzione psicometrica. Il numeratore è la probabilità dei dati del soggetto, D (le risposte corrette e non corrette in ciascuna delle larghezze di scanalatura presentato) dato che il soggetto è semplicemente indovinare (50% di probabilità corrette) su tutte le prove fino al processo in corso. Il denominatore è la probabilità dei dati forniti migliore stima dell'algoritmo della funzione psicometrica del soggetto. Nella nostra esperienza, per la maggior parte dei soggetti giovani il fattore di Bayes si avvicina rapidamente a zero con il procedere del blocco di prova, indicando che le prestazioni del soggetto conforme a una funzione psicometrica. Per alcuni soggetti anziani, il fattore di Bayes sorge sopra uno, indicando che il soggetto non è in grado di svolgere il compito. TAPS può essere programmato per interrompere il blocco di prova se il fattore indovinando Bayes ha superato un valore di soglia dopo un determinato numero di prove. 4. Risultati La Figura 4 mostra un blocco sperimentale composto da 40 studi da un 2-IFC esperimento GOT. Questo 40-trial blocco consisteva di 80 stimoli al dito medio destro del soggetto, con durata di 1 secondo contatto e 2 secondi ISI tra i contatti in prova unica. Soglia del 76% corretta del soggetto è stata di 1,7 mm, come indicato dalla modalità della funzione posteriore di densità di probabilità (PDF) per il parametro di soglia (pannello C). L'intervallo di confidenza al 95% per il parametro di soglia del soggetto, indicato dalla larghezza del PDF posteriore, era 1,3-1,9 mm. Figura 4. I risultati di un 2-intervallo scelta forzata compito reticolo di orientamento. A. Un blocco sperimentale, composto da 40 studi applicata in questo caso al dito medio destro. (Simboli più) correggere il soggetto e le risposte errate (cerchi aperti) a diverse larghezze di scanalatura vengono riportati al numero d'prova. Un metodo bayesiano adattivo (vedi testo) ha determinato la sequenza di larghezze di scanalatura di applicare, in base alle prestazioni del soggetto. B. Il best-fit funzione psicometrica per questo argomento. C. posteriore funzione di densità di probabilità per la larghezza del 76% del soggetto scanalatura corretta ( funzione psicometrica a-parametro, corrispondente a d-prime = 1).