Een Tactile Geautomatiseerde Passief-Finger Stimulator (TAPS)

Introductie De Tactile Geautomatiseerde Passief-Finger Stimulator (TAPS) is een computergestuurd systeem dat drukt gestructureerde oppervlakken tegen de huid om een ​​persoon tactiele ruimtelijke scherpte te beoordelen. We hebben ontworpen en gebouwd het apparaat in de Duquesne University, en gewijzigd naar zijn huidige vorm in de McMaster University. Hier geven we een overzicht van de functie van TAPS. Daarna beschrijven de onderdelen van het apparaat, om de reproductie te vergemakkelijken door andere onderzoekers. Ten slotte hebben we laten zien hoe KRANEN wordt gebruikt om een ​​psychofysisch experiment uit te voeren. 1. Overzicht van het toestel TAPS maakt gebruik van de zwaartekracht om een ​​stimulus oppervlak drukt tegen de huid (afb. 1). Van het onderwerp arm rust comfortabel in buikligging op een tafelblad. De vingertop (of andere huid te worden getest) ligt over een tunnel in de tabel. Onder de tafel, een stappenmotor draait een schijf die voor maximaal 40 stimulus stuks, plaatsing een van de stukken onder de tunnel. De zwaartekracht oefent een neerwaartse kracht op een massa opknoping van het ene eind van een draaibare stang. Een dwarsbalk zich uitstrekt van het vervoer van een lineaire actuator voorkomt dat de stang te bewegen. Als de actuator motoren naar voren, de staaf draait onder invloed van de zwaartekracht, het indrukken van een stimulus stuk omhoog door de tunnel en op de huid. Simpele natuurkunde betreft de snelheid van de aandrijving op de snelheid waarmee de stimulus oppervlak stijgt contact opnemen met de huid, en het gewicht van de opknoping massa om de statische kracht van de tactiele stimulus. Als de aandrijving omkeert richting van de staaf terug naar zijn startpositie, de prikkel stuk daalt. Zo, het apparaat past tactiele stimuli met gecontroleerde kracht, snelheid, contact opnemen met de duur, en inter-stimulus interval. Het onderwerp kiest een knop met de niet-geteste hand om een ​​reactie te registreren. TAPS detecteert de respons en de opbrengst te leveren van de volgende stimulus. Figuur 1. Fysica van TAPS. TAPS regelt zowel de begin snelheid en de steady-state kracht van de stimulus. Begin snelheid: Als de lat van de lineaire actuator (rood) naar rechts beweegt met een snelheid V 1, de linkerkant van de roterende staaf druppels onder de invloed van de zwaartekracht, de rechterkant van de staaf dan ook drukt op een stimulus stuk omhoog naar de vinger met snelheid V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Omdat V 1 is onder computerbesturing, kan V 2 worden ingesteld op een waarde gewenst door de onderzoeker. Force: Zwaartekracht oefent een neerwaartse kracht, F 1 = Mg, op de massa M (waarbij g = 9,8 m / s 2). Dit zorgt ervoor dat de prikkel stuk aan tegen de vinger druk met een opwaartse kracht, F 2. Voor een massaloze staaf, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Omdat de stang is in feite niet massaloze, is F 2 empirisch bepaald door meting met een kracht sensor. Om fijne aanpassingen aan F 2, kan de onderzoeker de positie van M langs de staaf. F 2 neemt iets als M wordt verplaatst naar de linker (toenemende L 1), en daalt lichtjes als M wordt verplaatst naar de rechterkant (afnemende L 1). Om grotere aanpassingen aan F 2, kan de massa worden gewijzigd. 2. Onderdelen en details van de werking van het apparaat i. Bewegende delen TAPS maakt gebruik van twee stappenmotoren, een op het vervoer van de lineaire actuator drive, en een ander om te draaien de schijf met de stimulus stukken. Deze twee motoren van toepassing op alle bewegende delen TAPS '. Deze onderdelen liggen op een lagere tafel die mechanisch is losgekoppeld van de bovenste tabel waarop het onderwerp van de armleuningen. Omdat de twee tabellen zijn ontkoppeld, doe trillingen veroorzaakt door de motoren niet over te dragen aan de huid. De tafels zijn zorgvuldig afgestemd dat de tunnel door de bovenste tafel ligt direct boven de stimulus stuk gecontacteerd door de roterende staaf. We veertig vierkante sleuven gefreesd rond de omtrek van de roterende schijf, om de prikkel stukken tegemoet te komen. We geconstrueerd stimulans stukken uit de ronde plastic staven, bewerking de staven om vierkante schachten die passen in de sleuven van de schijf te hebben. Dit zorgt ervoor dat de stukken niet draaien in hun slots als de schijf draait. We hebben de stimulus vlakken gesneden in de ronde gezichten van de stukken. Als de actuator rijtuig motoren naar voren, het einde van de roterende staaf tegenover de opknoping massa stijgt contact opnemen met de bodem van de geselecteerde stimulus stuk. Omdat de stang beschrijft een boog als het swingt naar boven, is het past bij een lichtgewicht kunststof met wiel om wrijving te elimineren met de onderkant van de stimulus stuk. Deze kunststof wiel draait een beetje als het duwt de stimulus stuk omhoog, zonder de kunststof wiel, het einde van de staaf zou de basis van het stuk te trekken iets lateraal (naar links in figuur 1.), waardoor het stuk te jammen in de tunnel door de bovenste tabel. Om verder te zorgen voor een soepele opwaartse traject van het stuk, is de tunnel te passen met een plastic kraag die is schuine om het stuk te richten op het midden van de tunnel als het stuk stijgt. ii. Sensoren TAPS maakt gebruik van zes sensoren om ervoor te zorgen een goede werking: twee thuis sensoren, drie te beperken sensoren en een kracht sensor. De aandrijving en de harde schijf thuis sensoren signaal naar de computer die de actuator wagen en de schijf in hun gewenste eerste posities aan het begin van een experiment. De actuator huis sensor is een Hall-effect sensor, de schijf huis sensor is een U-vormige foto-elektrische sensor, geactiveerd wanneer een stuk stevig papier geplakt naar de schijf rand de infrarood sensor balk kapot is. Wanneer de schijf is in home positie, is een bijzonder slot direct uitgelijnd is onder de tunnel in de bovenste tabel. Alle volgende schijf beweging berekeningen zijn ten opzichte van dit bekende uitgangspositie. De drie limiet sensoren dienen als veiligheidsvoorzieningen in geval van storing. Om te voorkomen dat weggelopen beweging van de actuator vervoer in het onwaarschijnlijke geval van een controle storing, is de actuator past vooruit en achteruit te beperken sensoren (Hall-effect sensoren). Indien geactiveerd, deze gesneden stroom naar de actuator. Om te voorkomen schijf beweging in het geval dat een stimulans stuk vast komt te zitten in de tunnel, is een infrarood reflecterende sensor bevestigd aan de onderkant oppervlakte van de bovenste tabel. Een stuk dat voldoende is verheven tot de tunnel gaan breekt de infrarode straal gegoten door deze sensor, en blokkeert commando voltages van het bereiken van de schijf stappenmotor. De zesde en laatste sensor is een kracht sensor die zachtjes rust op vingernagel van het onderwerp (afb. 2). Deze sensor detecteert naar beneden (in de tunnel), achterwaarts of voorwaarts vinger beweging. Het programma teruggooi proeven waarin de beweging zich heeft voorgedaan. Omdat de sensor is aangesloten op een stijve arm, het voorkomt bovendien de vinger te bewegen passief naar boven bij contact met de stijgende stuk. Aangezien wij gebruik van TAPS tot passieve (vinger stationair) tactiele ruimtelijke scherpzinnigheid te testen, de kracht sensor is een cruciaal element. Als laatste voorzorg tegen vinger beweging, plaatsen we plastic barrières zachtjes tegen de zijkant van de vinger om zijwaartse bewegingen te voorkomen. Figuur 2. Force Sensor voor vingerbewegingen te detecteren. A. De kracht sensor persen op 90-graden aan het oppervlak van de nagel, in de buurt van de nagelriem, met een kracht tussen de 50 en 80 gram. B. Voorbeeld van kracht sensor spoor toont een seconde voorafgaat contact van de stimulus stuk met de vinger, gevolgd door een seconde van onderhouden contact met de stationaire vinger. Merk op dat, bij contact (tijd = 0), de kracht van de stimulus stuk van onder de vinger duwt meer stevig tegen de sensor (stijgende helling van kracht trace). C. Als het onderwerp pogingen om de vinger omlaag bewegen beter te voelen de prikkel oppervlak, dan wordt de kracht tussen de nagel en de sensor vermindert (pijl). De sensor registreert ook de kracht fluctuaties als het onderwerp beweegt de vinger vooruit of achteruit. TAPS is geprogrammeerd om alle studies, waarbij de kracht van contact tussen de sensor en de vingernagel fluctueert met meer dan een drempelbedrag (bijvoorbeeld 20 gram), terwijl de huid in contact is met de stimulus oppervlak te verwijderen. Met behulp van een computer gegenereerde stem, kan KRANEN optioneel waarschuwen het onderwerp dat beweging is gedetecteerd. iii. Trillingen en geluid demping TAPS 'stappenmotoren produceren trillingen, en dit op zijn beurt veroorzaakt geluid. Zowel de trillingen en geluid zijn ongewenst. Trillingen, als die aan de huid, kunnen interfereren met het vermogen van de patiënt op de tactiele taak uit te voeren. Na verloop van tijd, kunnen trillingen ook leiden tot mechanische instabiliteit in KRANEN 'componenten. Geluid kon afleiden van het onderwerp. Om deze redenen hebben we maatregelen genomen om zowel de trillingen en het geluid te reduceren, en om trillingen te voorkomen van het bereiken van het onderwerp. Het belangrijkste is, doe de onderste en bovenste tabellen niet met elkaar in contact. Ze zijn verbonden alleen in de zin dat zij beide de vloer contact. Vandaar dat trillingen van de motoren, die rusten op de onderste tabel, is niet doorgegeven aan de arm van de proefpersoon, die rust op de bovenste tabel. Daarnaast worden trillingen en geluid als volgt verlaagd: een glasvezel gordijn omsluit de onderste tabel dempt apparaat geluid; PVC / fiber versterkte anti-vibratie pads ingeklemd tussen de aandrijving en de basis absorberen een deel van de aandrijving geproduceerde trillingen, de actuator zit op basis van vier rubberen cilindrische sandwich mounts die dienen om verder te dempen trillingen, de schijf stappenmotor baseren zit ook op rubber mounts ( zuiger van de spuit rubber) en siliconen O-ringen rond de schachten van de stimulus stukken, waardoor kletteren als de schijf draait. iv. Stimulus Pieces TAPS maakt gebruik van aangepaste half-inch diameter staven ruimtelijk gestructureerde oppervlakken drukken tegen de huid (afb. 3). De staven zijn bewerkt om vierkante schachten hebben. De ronde gezichten van de staven bevatten de stimulus oppervlakken; het plein schachten van de staven passen in de 40 vierkante sleuven rond de omtrek van de roterende schijf, zodat de prikkel oppervlakken hun juiste oriëntaties als de schijf draait stand te houden. Elke stimulus oppervlakken kunnen worden bewerkt in de staaf gezichten. Wij hebben gebruik gemaakt KRANEN vooral blokgolf roosters (dat wil zeggen, parallelle richels en groeven) van toepassing zijn. Voor het maken van deze, zijn we begonnen met 0.5 "diameter Delrin kunststof cilindrische staven, 3" lang. Met behulp van een Sherline freesmachine, hebben we de staafjes gesneden om 2.75 'lang, met twee "lange vierkante doorsnede assen (8,7 x 8,7 mm), en een 0,75"-lang, 12,74 mm diameter ronde cilindrische kop. Vervolgens groeven gefreesd in het ronde gezicht aan de stimulus oppervlakken te creëren. Elke stimulus oppervlak heeft gelijk nok en groef breedtes. We hebben stukken met groef breedtes variërend 0,25 tot 3,10 mm in stappen van 0,15 mm. We hebben twee identieke stimulus stukken gemaakt voor elk van deze 20 groove breedtes , resulterend in 40 stuks totaal. Vervolgens hebben we de stukken ingebracht in het kwadraat sleuven van de schijf, zodat elke groef breedte is vertegenwoordigd in zowel de verticale (parallel aan lange as van de vinger) en horizontale (dwars op de lange as van de vinger ) oriëntatie. Figuur 3. Stimulus stuk. Elke stimulus oppervlak gefreesd in het gezicht van een 0,5-inch diameter Delrin staaf. De basis van de staaf is teruggebracht tot een vierkante doorsnede hebben, zodat deze passen in de vierkante uitsparingen in de draaiende schijf. Het oppervlak van de getoonde stuk is een blokvormig rooster, met parallelle groeven en ruggen van gelijke breedte. v. Computer Controle TAPS is een volledig geautomatiseerde, computer-gestuurd systeem. Veel computer hardware en software configuraties kunnen worden gebruikt om het apparaat te bedienen. We gebruiken momenteel een Macintosh G3 draait LabVIEW 6.1 (National Instruments). De computer communiceert via een motor controller-board met een stappenmotor driver voor de aandrijving en motoren disk commando, en om het huis sensoren en eindschakelaars te lezen. Een PCI data-acquisitie board leest de kracht sensor en onder voorbehoud reactie knoppen. vi. Kracht en timing beperkingen Force gamma: Wij hebben TAPS om stimuli te leveren met krachten variërend van 10 tot 50 gram. We vermoeden dat de wrijving in de onderdelen zou de levering van stimuli op krachten onder ongeveer 5 gram belemmeren, en dat sommige mechanische instabiliteit zou ontstaan ​​voor de krachten van meer dan ongeveer 100 gram. Inter-stimulus interval (ISI): De afstand tussen de stimulus oppervlakken en de vinger, en de stabiele snelheid van de lineaire actuator en de schijf stappenmotor, samen een lagere limiet op de ISI dat het apparaat kan bereiken. We schatten deze grens op ongeveer 1,5 seconde. Zo, het apparaat is niet geschikt voor toepassingen zoals maskering experimenten, die sub-seconden ISI vereisen. 3. Het uitvoeren van een experiment Hier beschrijven we een protocol voor die KRANEN gebruikt kan worden: een twee-interval geforceerde keuze (2-IFC) rooster oriëntatie taak (GOT) met Bayesiaanse adaptieve tracking. TAPS kan geprogrammeerd worden voor vele andere psychofysische protocollen ook. Wij hebben gebruik gemaakt eerder naar 2-IFC experimenten met trappenhuis tracking 1,2 en met de methode van constante stimuli. Natuurlijk, het is in staat om ja / nee procedures en als 2-IFC te voeren. Voor de 2-IFC GOT taak, gebruiken we blokgolf roosters dat de distale pad van de vinger met de contactpersoon 4 cm / sec begin snelheid, 50 gm contact kracht, en 1 sec contact duur. Elke proef bestaat uit twee opeenvolgende stimulus presentaties (ISI: 2 sec) met roosters van dezelfde groove breedte, maar verschillen in 90-graden in oriëntatie. In een presentatie worden de groeven verticaal uitgelijnd (parallel), en in het andere, horizontaal (dwars), de lange as van de vinger. Stimulus bestelling wordt willekeurig gekozen door de computer-programma. Het onderwerp geeft aan of de horizontale oriëntatie vond plaats in de eerste of tweede interval, door het indrukken van een van de twee knoppen met de niet-geteste hand. Een Bayesiaanse adaptieve methode past groove breedte van proef tot proef. We geprogrammeerd TAPS met een aangepaste versie van de psi (Ψ) methode, een Bayesiaanse adaptief algoritme 3. Deze methode heeft een aantal voordelen ten opzichte van conventionele adaptieve methoden, zoals trap methoden. Ten eerste, de psi methode ramingen niet slechts een punt op de psychometrische functie (bijv. de 71%-drempel geschat door een 2-down-up een trap), maar de hele psychometrische functie. Ten tweede, de methode levert Bayesiaanse posterior kansverdelingen (en daarmee betrouwbaarheidsintervallen) voor de parameters van de psychometrische functie. Ten slotte is de methode is efficiënt. Het houdt in het geheugen van vele duizenden mogelijke psychometrische functie vormen, en werkt de achterste waarschijnlijkheid van elke functie na elke reactie. Vervolgens wordt een verwacht entropie minimalisatie procedure te kiezen voor de volgende prikkel, dat is, kiest hij de stimulus op elk proces dat wordt verwacht dat de informatie te verkrijgen maximaliseren. Na Kontsevich en Tyler 3, we gemodelleerd d-prime als een macht functie van de stimulus-niveau, en elk onderwerp psychometrische functie – P c (x), de kans op een correct antwoord als functie van de stimulus-niveau, x – als een mengsel van een cumulatieve normale (probit) functie en een lapse rate term: Hier, een is de drempel (stimulus niveau dat overeenkomt met 76% waarschijnlijkheid juiste antwoord, d-prime = 1), en b is de helling van psychometrische het onderwerp functie. We pasten de Ψ-algoritme door de behandeling van het vervallen rente (delta) als een parameter van onbekende waarde, en door het berekenen van een "gokken Bayes factor" na elke proef: Dit Bayes factor is een likelihood ratio dat de kans dat de gegevens op grond van hypothese 1 vergelijkt, dat het onderwerp te raden, om de waarschijnlijkheid van de gegevens op grond van hypothese 2, dat het onderwerp een psychometrische functie heeft. De teller is de kans van de gegevens van het onderwerp, D (juiste en onjuiste antwoorden op elk van de gepresenteerde groef breedtes), gezien het feit dat het onderwerp is gewoon gissen (50% kans correct) op alle proeven tot en met het huidige proces. De noemer is de kans van de gegevens gegeven van het algoritme de beste schatting van psychometrische het onderwerp functie. In onze ervaring voor de meeste jonge proefpersonen de Bayes factor nadert snel nul als het testen blok vordert, wat aangeeft dat het onderwerp de prestaties voldoet aan een psychometrische functie. Voor sommige oudere proefpersonen, de Bayes factor boven een, wat aangeeft dat het onderwerp niet in staat is om de taak uit te voeren. TAPS kan geprogrammeerd worden om de test te blokkeren beëindigen indien de raden Bayes factor heeft overschreden een drempelwaarde na een bepaald aantal proeven. 4. Resultaten Figuur 4 toont een experimentele blok bestaande uit 40 proeven van een 2-IFC GOT experiment. Deze 40-trial blok bestond uit 80 stimuli het recht van het onderwerp middelvinger, met een-seconde contact duur en de twee-seconden ISI tussen contacten in een enkel proces. Van het onderwerp 76% correct drempel was 1,7 mm, zoals aangegeven door de modus van de achterste kansdichtheidsfunctie (PDF) voor de drempel parameter (paneel C). De 95%-betrouwbaarheidsinterval voor drempel van het onderwerp parameter, aangegeven door de breedte van de achterste PDF, was 1,3 tot 1,9 mm. Figuur 4. Resultaten van een twee-interval gedwongen keuze rooster oriëntatie taak. A. Een experimentele blok, bestaande uit 40 trials toegepast in dit geval om de juiste middelvinger. Het onderwerp van de juiste (plus symbolen) en verkeerde (open cirkels) hebben op verschillende breedtes groef zijn uitgezet tegen de trial-nummer. Een Bayesiaanse adaptieve methode (zie tekst) bepaalde de volgorde van de groef breedtes toe te passen, gebaseerd op de prestaties van het onderwerp. B. De best-fit psychometrische functie voor dit onderwerp. C. Posterior kansdichtheidsfunctie voor 76% van het onderwerp juiste groove breedte ( psychometrische functie een-parameter, wat overeenkomt met d-prime = 1).