Ein taktiles Automated Passive-Finger-Stimulator (TAPS)

Einführung Die taktile Automated Passive-Finger-Stimulator (TAPS) ist ein Computer-gesteuertes System, das Pressen strukturierten Oberflächen auf der Haut, um eine Person taktilen räumlichen Schärfe zu beurteilen. Wir entwarfen und konstruierten das Gerät in Duquesne University, und verändert es zu seiner heutigen Form in McMaster University. Hier geben wir einen Überblick über die Funktion der TAPS. Wir beschreiben dann die Komponenten des Geräts, um ihre Fortpflanzung von anderen Forschern zu erleichtern. Schließlich zeigen wir, wie TAPS verwendet wird, um eine psychophysische Experiment durchführen. 1. Geräteübersicht TAPS nutzt die Schwerkraft auf einen Reiz Oberfläche der Haut (Abb. 1) drücken. Das Thema ist Armlehnen bequem in Bauchlage auf einem Tisch. Die Fingerkuppe (oder eine andere Hautstelle zu testen) liegt über einen Tunnel in der Tabelle. Unter dem Tisch, dreht sich ein Schrittmotor eine Festplatte, die bis zu hält 40 Stimulus Stücke, die Positionierung eines der Stücke durch den Tunnel. Gravity übt eine abwärts gerichtete Kraft auf eine Masse hängt von einem Ende einer drehbaren Stange. Eine Latte, die sich von der Beförderung von einem linearen Antrieb verhindert, dass der Stab aus in Bewegung. Da die Stellmotoren vorne drücken, den Stab schwenkt unter dem Einfluss der Schwerkraft, einen Stimulus Stück nach oben durch den Tunnel und auf der Haut. Einfache Physik betrifft die Geschwindigkeit des Antriebs an die Geschwindigkeit, mit der der Reiz Oberfläche steigt auf den Kontakt mit der Haut, und das Gewicht der hängenden Masse, um die statische Kraft der taktile Reiz. Da der Antrieb kehrt die Richtung um den Stab in seine Ausgangsposition zurück, sinkt der Anreiz Stück. So gilt das Gerät taktile Reize mit kontrollierter Kraft, Geschwindigkeit, wenden Sie sich Dauer und Inter-Stimulus Intervall. Das Thema wählt einen Button mit der nicht getesteten Hand, um eine Antwort zu registrieren. TAPS erkennt die Antwort und geht zum nächsten Impuls liefern. Abbildung 1. The Physics of TAPS. TAPS steuert sowohl den Ausbruch Geschwindigkeit und die steady-state Kraft des Reizes. Onset Geschwindigkeit: Als die Latte aus dem Linearantrieb (rot) bewegt sich nach rechts mit der Geschwindigkeit V 1, das linke Ende der rotierenden Stange Tropfen unter dem Einfluss der Schwerkraft, die rechte Ende der Stange drückt daher einen Anreiz Stück nach oben in Richtung der Finger mit der Geschwindigkeit V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Da V 1 ist computergesteuert, so kann V 2 auf einen beliebigen Wert durch den Prüfarzt gewünschten eingestellt werden. Force: Gravity übt eine Kraft nach unten, F 1 = Mg, bezogen auf die Masse M (wobei g = 9,8 m / s 2). Dies bewirkt, dass der Reiz Stück gegen die Finger mit einem nach oben gerichteten Kraft, F 2 drücken. Für einen masselosen Stab, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Da die Stange ist in der Tat nicht masselos ist F 2 empirisch durch Messung mit einem Kraftsensor ermittelt. Um Feineinstellungen für F 2 kann der Prüfer die Position des M entlang der Stange. F 2 leicht erhöht, wie M nach links verschoben wird (Erhöhung der L 1), und sinkt ein wenig, als M nach rechts verschoben ist (abnehmende L 1). Um größere Anpassungen an F 2 kann die Masse verändert werden. 2. Komponenten und Details der Gerätefunktion i. Bewegliche Teile TAPS verwendet zwei Schrittmotoren, einer für die Beförderung der linearen Stellantrieb, und ein anderer auf die Diskette mit dem Reiz Teile zu drehen. Diese beiden Motoren steuern alle beweglichen Teile TAPS ". Diese Teile liegen auf einer unteren Tabelle, die mechanisch aus der oberen Tabelle auf, die Gegenstand der Armlehnen entkoppelt ist. Da die beiden Tabellen abgekoppelt sind, haben Schwingungen, die durch die Motoren verursacht werden, nicht auf die Haut übertragen. Die Tische sind sorgfältig, so dass der Tunnel durch die obere Tabelle direkt über den Reiz Stück durch den rotierenden Stab kontaktiert liegt ausgerichtet. Wir bearbeiteten 40 Quadratmeter Schlitze um den Umfang der rotierenden Scheibe, auf den Reiz Stücke unterzubringen. Wir konstruierten Reiz Stücke aus runden Kunststoff-Stäbe, die Bearbeitung der Stäbe Vierkantwellen, dass in die Schlitze der Scheibe passen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Stücke nicht in die Schlitze drehen sich die Festplatte dreht. Wir schneiden den Reiz Flächen in die runden Gesichter der Stücke. Wenn der Antrieb Wagen Motoren nach vorne, das Ende der rotierenden Stange gegenüber dem hängenden Masse auf den Boden der ausgewählten Stimulus Stück kontaktieren steigt. Da die Stange beschreibt einen Bogen, wie es schwingt nach oben, ist es mit einem leichten Kunststoff Radlager, um die Reibung mit dem Boden des Stimulus Stück beseitigen fit. Dieser Kunststoff Rad dreht leicht, wie es die s drückttimulus Stück nach oben, ohne die Kunststoff-Rad, das Ende der Stange würde die Basis des Stückes etwas seitlich ziehen (nach links in Abb. 1.), wodurch das Stück zu jammen im Tunnel durch die obere Tabelle. Zur weiteren Gewährleistung eines reibungslosen Aufwärtstrend des Stücks, wird der Tunnel mit einem Kunststoffkragen, dass abgeschrägt, um das Stück gegen die Mitte des Tunnels direkt wie das Stück erhebt, ist fit. ii. Sensoren TAPS nutzt sechs Sensoren, um eine ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten: Zwei Hause Sensoren, drei zu beschränken, Sensoren und einem Kraftsensor. Der Antrieb und Disk Hause Sensoren Signal an den Computer, dass der Antrieb Wagen und die Scheibe in die gewünschte Ausgangsposition stehen am Anfang eines Experiments. Der Antrieb Hause Sensor ist ein Hall-Effekt-Sensor, die Festplatte zu Hause Sensor ist ein U-förmiges Lichtschranke aktiviert, wenn ein Stück festes Papier geklebt, um die Scheibe Felge des Infrarot-Sensors Strahl bricht. Wenn die Scheibe in Ruheposition ist, wird einem bestimmten Steckplatz direkt unter dem Tunnel in der oberen Tabelle ausgerichtet. Alle nachfolgenden Datenträger Bewegung Berechnungen werden relativ zu diesem bekannten Ausgangsposition. Die drei zu beschränken Sensoren dienen als Sicherheits-Features im Falle einer Fehlfunktion. Um zu verhindern, runaway Bewegung des Aktors Wagen in dem unwahrscheinlichen Fall einer Kontrolle Fehlfunktion wird der Antrieb mit Vor-und Rücklauf zu begrenzen Sensoren (Hall-Effekt-Sensoren) passen. Wenn aktiviert, diese Stromzufuhr zum Antrieb. Um zu verhindern, Festplatte Bewegung in den Fall, dass ein Stimulus Stück stecken in den Tunnel wird, ist eine Infrarot-Reflexions-Lichtschranke an der Unterseite des oberen Tabelle im Anhang. Ein Stück, das ausreichend ist erhöht, um den Tunnel betreten bricht der Infrarotstrahl cast von diesem Sensor und blockiert Befehl Spannungen vom Erreichen der Festplatte Schrittmotor. Die sechste und letzte Sensor ist ein Kraftsensor, der sanft ruht auf das Thema Fingernagel (Abb. 2). Dieser Sensor erkennt nach unten (in den Tunnel), rückwärts oder vorwärts Fingerbewegung. Das Programm wirft Studien, in denen Bewegung aufgetreten. Da der Sensor an einem starren Arm befestigt ist, es verhindert zusätzlich die Finger von beweglichen passiv nach oben bei Kontakt mit der steigenden Stück. Da wir TAPS um passive (Finger stationär) taktilen räumlichen Sehschärfe testen, ist der Kraftsensor ein entscheidendes Element. Als letzte Sicherheit gegen Fingerbewegung, stellen wir Kunststoff-Barrieren sanft gegen die Seiten der Finger, um seitliche Bewegungen verhindern. Abbildung 2. Kraftsensor zur Fingerbewegung erkennen. A. Der Kraftsensor Pressen im 90-Grad an der Oberfläche des Fingernagels, in der Nähe der Kutikula, mit einer Kraft zwischen 50 und 80 Gramm. B. Beispiel Kraftsensor Spur zeigt 1 Sekunde vor Kontakt des Stimulus Stück mit dem Finger, um eine Sekunde von Dauerkontakt mit dem stationären Finger folgten. Beachten Sie, dass bei Kontakt (Zeit = 0), die Kraft der Reiz Stück von unten mit dem Finger drückt noch fester gegen den Sensor (Steigung in Kraft trace). C. Wenn das Subjekt versucht, den Finger nach unten bewegen, um sich besser fühlen der Reiz Oberfläche, dann die Kraft zwischen den Fingernagel und der Sensor verringert (Pfeil). Der Sensor registriert auch Kraft-Schwankungen, wenn sich das Motiv bewegt die Finger nach vorne oder hinten. TAPS ist so programmiert, dass alle Studien, in denen die Kraft der Kontakt zwischen dem Sensor und dem Fingernagel schwankt um mehr als ein Schwellenwert (zB 20 Gramm), während die Haut in Kontakt mit dem Reiz Oberfläche zu verwerfen. Mit Hilfe eines computer-generierte Stimme kann TAPS optional warnen das Thema, dass Bewegung erkannt wurde. iii. Vibrations-und Schalldämpfung TAPS "Schrittmotoren erzeugen Vibrationen, und dies wiederum bewirkt Sound. Beide Vibration und Sound sind unerwünscht. Vibration, wenn die Haut übertragen, könnte sich mit dem Thema der Fähigkeit der taktilen Aufgabe stören. Im Laufe der Zeit konnten Vibrationen verursachen auch mechanische Instabilität in TAPS "Komponenten. Sound ablenken könnte das Thema. Aus diesen Gründen haben wir Maßnahmen, die sowohl Vibrationen und Schall zu reduzieren und keine Vibrationen vom Erreichen der Gegenstand zu verhindern übernommen. Am wichtigsten ist, die unteren und oberen Tabellen nicht miteinander in Kontakt. Sie sind nur in dem Sinne verbunden, dass sie sowohl den Boden berühren. Daher Vibrationen der Motoren, die übrigen auf der unteren Tabelle ist nicht auf das Thema der Arm, der auf der oberen Tabelle beruht übertragen. Darüber hinaus werden Vibrationen und Schall wie folgt reduziert: eine Glasfaser-Vorhang Beifügung der unteren Tabelle Muffeln Gerätesound; PVC / fiber verstärkt Anti-Vibrations-Pads zwischen Antrieb und seine Basis eingeklemmt absorbieren einen Teil des Antriebs-produzierten Vibrationen, die Aktorfuß sitzt auf vier Gummi-zylindrischen Sandwich-Halterungen, die weiter dämpfen Vibrationen dienen; die Festplatte Schrittmotor Basis sitzt auch auf Gummilagern ( Spritzenkolben Gummi) und Silikon-O-Ringe umgeben den Wellen des Stimulus Stücke, reduziert klappern wie die Scheibe dreht. iv. Stimulus Pieces TAPS verwendet geändert halben Zoll Durchmesser Stäbe räumlich strukturierte Oberflächen auf der Haut (Abb. 3) drücken. Die Stangen sind so bearbeitet, Vierkantwellen haben. Die runde Gesichter der Stäbe enthalten den Reiz Oberflächen, die Vierkantwellen der Stäbe passen in die 40 Quadratmeter Schlitze um den Umfang der rotierenden Scheibe, sicherzustellen, dass der Reiz Oberflächen ihre richtige Orientierungen, wie die Festplatte dreht sich aufrecht zu erhalten. Jeder Reiz Oberflächen können in den Stab Gesichter bearbeitet werden. Wir haben TAPS verwendet hauptsächlich Rechteck-Gitter (dh parallel Rippen und Rillen) gelten. Um diese zu erstellen, begannen wir mit 0,5 "Durchmesser Delrin Kunststoff zylindrischen Stäben, 3" lang. Mit einem Sherline Fräsmaschine, schneiden wir die Stangen auf 2,75 "lang, mit 2" lang Quadratmeter Querschnitt Wellen (8,7 x 8,7 mm) und einem 0,75 "-lang, 12,74 mm Durchmesser rund zylindrischen Kopf. Wir haben dann Nuten gefräst in das runde Gesicht auf den Reiz Oberflächen zu schaffen. Jeder Reiz Oberfläche gleich Kamm und Nutbreiten. Wir haben Stücke mit Nut Breiten von 0,25 bis 3,10 mm in 0,15 mm-Schritten. Wir haben zwei identische Reize Stücke für jeden dieser 20 Nutbreiten , was zu 40 Stück insgesamt. Wir haben dann eingefügt die Stücke in die eckigen Aufnahmen von der Festplatte, so dass jeder Nutbreite in vertreten war sowohl in der vertikalen (parallel zur Längsachse des Fingers) und horizontal (quer zur Längsachse des Fingers -) Orientierung. Abbildung 3. Stimulus Stück. Jeder Reiz Oberfläche ist in das Gesicht von einem 0,5-Zoll-Durchmesser Delrin Stab gefräst. Die Basis des Stabes wird geschnitten, um einen quadratischen Querschnitt haben, so dass er auf den Platz Ausschnitte in der rotierenden Scheibe passen. Die Oberfläche des Stückes gezeigt wird ein Rechtecksignal Gitter mit parallelen Rillen und Grate von gleicher Breite. v. Computer Control TAPS ist ein vollautomatisches, computergesteuertes System. Viele Computer-Hard-und Software-Konfigurationen verwendet werden, um das Gerät zu steuern. Wir verwenden derzeit Macintosh G3 läuft LabVIEW 6.1 (National Instruments). Der Computer kommuniziert über einen Motor Controller-Platine mit einem Schrittmotor-Treiber auf den Antrieb und Scheibenläufermotoren Befehl ein, und um das Haus Sensoren und Endschalter lesen. Ein PCI-Messkarte liest den Kraftsensor und unterliegen Antwort-Tasten. vi. Kraft-und Timing-Einschränkungen Kraftbereich: Wir haben TAPS verwendet werden, um Impulse mit Kräften bis hin 10 bis 50 Gramm liefern. Wir vermuten, dass die Reibung in den Komponenten würde die Lieferung von Reizen bei Kräften unter etwa 5 Gramm zu behindern, und dass einige mechanische Instabilität würde für Kräfte von mehr als etwa 100 Gramm ergeben. Inter-Stimulus-Intervall (ISI): Der Abstand zwischen den Reiz Oberflächen und die Finger, und die stabile Geschwindigkeiten der Linearantrieb und Festplatten-Schrittmotor, gemeinsam eine niedrigere Grenze für die ISI, dass das Gerät erreichen können. Wir schätzen diese Grenze bei etwa 1,5 Sekunden. Somit ist das Gerät nicht geeignet für Anwendungen wie Maskierung Experimente, die unter einer Sekunde ISI erfordern. 3. Durchführung eines Experiments Hier beschreiben wir ein Protokoll für die TAPS verwendet werden können: eine Zwei-Intervall Forced-Choice (2-IFC) Gitterorientierung Aufgabe (GOT) mit Bayes-adaptive Tracking-Systems. TAPS kann für viele andere psychophysische Protokollen programmiert als gut. Wir haben es bisher auf 2-IFC Experimente mit Treppe Tracking 1,2 und mit der Methode der konstanten Stimuli Verhalten verwendet. Natürlich ist es in der Lage, ja / nein Verfahren sowie 2-IFC befragen. Für die 2-IFC GOT Aufgabe verwenden wir Rechteck-Gitter, dass das distale Fingerbeere mit Kontakt 4 cm / sec Einsetzen Geschwindigkeit, 50 gm Anpresskraft und 1 sec Kontaktzeit. Jeder Versuch besteht aus zwei aufeinander folgenden Impulse Präsentationen (ISI: 2 sec) mit Gittern gleicher Nutbreite, aber unterschiedliche 90-Grad in der Orientierung. In einer Präsentation sind die Rillen vertikal (parallel) ausgerichtet und in der anderen, horizontal (quer), zur Längsachse des Fingers. Stimulus, um nach dem Zufallsprinzip durch das Computerprogramm ausgewählt. Das Thema zeigt, ob die horizontale Ausrichtung in der ersten oder zweiten Intervall aufgetreten ist, durch Drücken einer der beiden Tasten mit den nicht getesteten Hand. Ein Bayes-adaptive Verfahren passt groove Breite von Versuch zu Versuch. Wir programmierten TAPS mit einer modifizierten Version des psi (Ψ)-Methode, ein Bayes-adaptive Algorithmus 3. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber konventionellen adaptiven Methoden, wie Treppenhaus Methoden. Erste Schätzungen der psi-Methode nicht nur einen einzelnen Punkt auf der psychometrischen Funktion (z. B. die 71%-Schwelle durch eine 2-bis 1-up Treppe geschätzt), sondern die gesamte psychometrische Funktion. Zweitens liefert die Methode Bayesian posterior Wahrscheinlichkeitsverteilungen (und damit Konfidenzintervall) für die Parameter der psychometrischen Funktion. Schließlich ist die Methode effizient. Es gilt in Erinnerung vielen Tausenden von möglichen psychometrische Funktion Formen, und aktualisiert die posteriori Wahrscheinlichkeit für jede Funktion nach jeder Antwort. Es verwendet dann einen erwarteten Entropie Minimierung Verfahren, um die nächste Stimulus wählen, das heißt, es entscheidet sich der Reiz für jeden Versuch, die voraussichtlich die Informationen gewinnen zu maximieren. Nach Kontsevich und Tyler 3, modelliert wir d-prime als Power-Funktion des Stimulus-Ebene, und jedes Thema ist psychometrische Funktion – P c (x) die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Antwort als Funktion der Reiz Ebene x – als eine Mischung aus eine kumulative normal (Probit)-Funktion und eine Stornoquote Begriff: Hier ist eine Schwelle (Stimulus-Ebene entsprechend 76% richtige Antwort Wahrscheinlichkeit, d-prime = 1), und b ist die Steigung des Subjekts psychometrische Funktion. Wir veränderten die Ψ-Algorithmus durch die Behandlung der Stornoquote (delta) als Parameter des unbekannten Wert, und durch die Berechnung eines "erraten Bayes-Faktor" nach jedem Versuch: Das Bayes-Faktor ist ein Likelihood-Ratio, dass die Wahrscheinlichkeit der Daten unter Hypothese 1 vergleicht, dass das Thema ist zu raten, um die Wahrscheinlichkeit der Daten unter Hypothese 2, dass das Thema einer psychometrischen Funktion hat. Der Zähler ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Thema die Daten, D (richtigen und falschen Antworten auf jede der Nutbreiten vorgestellt) gegeben, dass das Thema ist einfach zu erraten (50% Wahrscheinlichkeit richtig ist) zu allen Studien bis einschließlich der aktuellen Studie. Der Nenner ist die Wahrscheinlichkeit, dass die hier angegebenen Daten der Algorithmus die beste Schätzung des Subjekts psychometrische Funktion. Nach unserer Erfahrung für die meisten jungen Probanden die Bayes-Faktor rasch gegen Null, da die Prüfblock fortschreitet, was darauf hinweist, dass das Thema die Leistung einer psychometrischen Funktion entspricht. Bei einigen älteren Patienten steigt der Bayes-Faktor übereinander, was darauf hinweist, dass das Thema nicht um die Aufgabe auszuführen ist. TAPS kann so programmiert werden, die Prüfblock kündigen, wenn die Raten Bayes Faktor hat einen Schwellenwert nach einer bestimmten Anzahl von Versuchen überschritten werden. 4. Ergebnisse Abbildung 4 zeigt ein experimentelles Block bestehend aus 40 Studien aus einer 2-IFC GOT Experiment. Dieser 40-Studie Block bestand aus 80 Stimuli auf das Thema der rechten Mittelfinger, mit 1-Sekunden-Kontakt Dauer und 2-Sekunden-ISI zwischen Kontakten in einem einzigen Versuch. Das Thema ist 76% richtige Schwelle betrug 1,7 mm, als durch die Art der hinteren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) für den Schwellenwert-Parameter (Panel C) angegeben. Die 95%-Konfidenzintervall für das Thema der Schwelle Parameter, um die Breite der hinteren PDF angezeigt, wurde von 1,3 bis 1,9 mm. Abbildung 4. Die Ergebnisse einer 2-Intervall Forced-Choice Gitterorientierung Aufgabe. A. Eine experimentelle Block, bestehend aus 40 Studien in diesem Fall auf der rechten Mittelfinger angewendet. Das Thema ist richtig (plus Symbole) und falsche (offene Kreise) Reaktionen bei unterschiedlichen Fugenbreiten gegen Testversion Zahl aufgetragen. Ein Bayes-adaptive Methode (siehe Text) bestimmt die Reihenfolge der Nutbreiten gelten, über das Thema der Performance. B. Die Best-Fit-psychometrische Funktion für dieses Thema. C. Posterior Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für die Probanden 76% richtige Nutbreite ( psychometrische Funktion a-Parameter, entsprechend d-prime = 1).