A Tátil Estimulador passiva-Dedo automatizada (TAPS)

Introdução A Tátil Estimulador passiva-Dedo automatizada (TAPS) é um sistema controlado por computador que pressiona superfícies estruturadas contra a pele, a fim de avaliar a acuidade tátil de uma pessoa espacial. Nós concebido e construído o dispositivo em Duquesne University, e modificou a sua forma atual em McMaster University. Aqui, nós fornecemos uma visão geral da função de TAPS. Em seguida, descrevem os componentes do dispositivo, a fim de facilitar a sua reprodução por outros pesquisadores. Finalmente, mostramos como TAPS é usado para realizar um experimento psicofísico. 1. Visão geral do dispositivo TAPS usa a gravidade para pressionar uma superfície de estímulo contra a pele (Fig. 1). Braço do sujeito descansa confortavelmente em decúbito ventral sobre uma mesa. A ponta do dedo (ou outra área da pele a ser testada) encontra-se ao longo de um túnel na tabela. Debaixo da mesa, um motor de passo gira um disco que tem capacidade para até 40 peças de estímulo, de posicionamento uma das peças sob o túnel. Gravidade exerce uma força descendente sobre uma massa suspensa de uma extremidade de uma haste giratória. A barra transversal que se estende desde o transporte de um atuador linear impede a haste de movimento. Como os motores do atuador para a frente, os pivôs vara sob a influência da gravidade, pressionando um pedaço de estímulo para cima através do túnel e na pele. Física simples relaciona a velocidade do atuador para a velocidade com que a superfície de estímulo sobe entrar em contato com a pele, eo peso da massa pendurada à força estática do estímulo tátil. Como o atuador inverte a direção de devolver o bastão para sua posição inicial, a peça de estímulo gotas. Assim, o dispositivo se aplica estímulos táteis com força controlada, velocidade, duração do contato e inter-estímulo intervalo. O sujeito seleciona um botão com a mão não-testadas para registrar uma resposta. TAPS detecta a resposta e prossegue a entregar o estímulo seguinte. Figura 1. A Física da TAPS. TAPS controla tanto a velocidade do surgimento e da força de steady-state do estímulo. Velocidade de início: Como a trave do atuador linear (vermelho) se move para a direita com velocidade V 1, na extremidade esquerda da barra de rotação cai sob a influência da gravidade; a extremidade direita da barra, portanto, pressiona para cima um pedaço de estímulo para o finger com velocidade V 2 = V 1 (L 2 / L 3). Uma vez que V 1 está sob o controle do computador, V 2 pode ser configurado para qualquer valor desejado pelo investigador. Força: Gravity exerce uma força para baixo, F 1 = Mg, na massa M (onde g = 9,8 m / s 2). Isso faz com que a peça de estímulo para pressionar contra o dedo com uma força para cima, F 2. Para uma haste sem massa, F 2 = F 1 (L 1 / L 2). Uma vez que a vara não é de fato sem massa, F 2 é determinada empiricamente, por medição com um sensor de força. Para fazer ajustes finos para F 2, o investigador pode alterar a posição do M ao longo da haste. F 2 aumenta ligeiramente à medida M é deslocado para a esquerda (aumento L 1), e diminui um pouco como M é deslocado para a direita (diminuindo L 1). Para fazer ajustes maiores para F 2, a massa pode ser mudado. 2. Componentes e detalhes de funcionamento do dispositivo i. Peças em movimento TAPS utiliza dois motores de passo, um para dirigir o carro do atuador linear, e outro para girar o disco que contém as peças de estímulo. Estes dois motores controlar todas as partes móveis TAPS. Estas peças estão sobre uma mesa inferior que é mecanicamente desacoplado da tabela superior em que o braço do sujeito descansa. Porque as duas tabelas estão desacoplados, vibrações causadas pelos motores não são transferidas para a pele. As mesas são cuidadosamente alinhadas de modo que o túnel através da tabela superior situa-se acima da peça de estímulo contactado por haste rotativa. Nós usinado 40 slots quadrados em torno da circunferência do disco em rotação, para acomodar as peças estímulo. Construímos peças estímulo rodada hastes de plástico, usinagem das varas ter eixos quadrados que se encaixam nas ranhuras do disco. Isso garante que as peças não rodam dentro de suas faixas horárias, como o disco gira. Nós cortamos as superfícies de estímulo para o rosto redondo das peças. Quando os motores de carro atuador para a frente, a ponta da vara de rotação oposta da massa suspensa sobe entrar em contato com a parte inferior da peça de estímulo selecionado. Porque a vara descreve um arco como balança para cima, é encaixar com uma roda de plástico leve rumo para eliminar o atrito com o fundo do pedaço de estímulo. Esta roda de plástico gira um pouco como ele empurra o stimulus peça para cima, sem a roda de plástico, a ponta da vara puxaria a base da peça um pouco lateralmente (para a esquerda na Fig. 1.), fazendo com que a peça para tocar dentro do túnel através da tabela superior. Para garantir ainda mais uma trajetória suave para cima da peça, o túnel está apto com um colar de plástico que é chanfrado para dirigir a peça para o centro do túnel como uma peça sobe. ii. Sensores TAPS faz uso de seis sensores para garantir o bom funcionamento: dois sensores de casa, três sensores de limite, e um sensor de força. O atuador e sensores de casa em disco sinal para o computador que o transporte do atuador e do disco estão em suas posições iniciais desejado no início de uma experiência. O sensor de casa atuador é um sensor de efeito Hall, o sensor de casa em disco é um sensor fotoelétrico em forma de U, ativado quando um pedaço de cartolina colada à borda do disco quebra o feixe de sensor infravermelho. Quando o disco está na posição de origem, um slot especial está alinhada diretamente sob o túnel na tabela superior. Todos os cálculos movimento subseqüente disco são feitas em relação a esta posição de partida conhecido. Os três sensores de limite de servir como características de segurança em caso de avaria. Para impedir o movimento do carro em fuga atuador no caso improvável de uma avaria de controle, o atuador é apto com sensores de limite para a frente e para trás (efeito Hall sensores). Se ativado, o poder dessas corte para o atuador. Para impedir o movimento do disco no caso de um pedaço de estímulo torna-se preso no túnel, um sensor retro-reflexivo de infravermelho é ligada à superfície inferior da mesa superior. Uma peça que é elevado o suficiente para entrar no túnel quebra o elenco feixe de infravermelho por este sensor, e tensões blocos de comandos de alcançar o disco de motor de passo. O sensor sexto e último é um sensor de força que repousa suavemente sobre unha do sujeito (Fig. 2). Este sensor detecta baixo (no túnel), para trás ou para frente o movimento do dedo. O programa descarta ensaios em que o movimento ocorreu. Porque o sensor é ligado a um braço rígido, além disso, evita que o dedo se mova para cima passivamente em contato com a peça em ascensão. Desde que nós usamos TAPS para testar a acuidade tátil passiva (estacionário dedo) espaciais, o sensor de força é um elemento crucial. Como precaução final contra o movimento dos dedos, colocamos barreiras de plástico suavemente contra as laterais do dedo para evitar movimentos laterais. Figura 2. Sensor de força para detectar o movimento do dedo. A. As prensas sensor força em 90 graus para a superfície da unha, perto da cutícula, com uma força entre 50 e 80 gramas. Exemplo B. trace sensor de força mostrando um segundo precedente contato do pedaço de estímulo com o dedo, seguido por um segundo de contato mantido com o dedo parado. Note-se que, em contacto (tempo = 0), a força da obra de estímulo de baixo empurra o dedo com mais firmeza contra o sensor (inclinação ascendente em vigor traço). C. Se as tentativas de assunto para mover o dedo para baixo para sentir melhor a superfície de estímulo, então a força entre a unha eo sensor diminui (seta). O sensor também registra flutuações força, se o sujeito se move o dedo para trás ou para frente. TAPS está programado para descartar qualquer ensaios em que a força de contato entre o sensor eo flutua unha por mais de um limiar (por exemplo, 20 gramas), enquanto a pele está em contato com a superfície de estímulo. Usando uma voz gerada por computador, TAPS pode, opcionalmente, avisar o assunto que o movimento foi detectado. iii. Amortecimento de vibração e som Stepper TAPS 'motores produzem vibração, e esta por sua vez faz o som. Ambos vibração e som são indesejáveis. Vibração, se transmitida para a pele, pode interferir com a capacidade do sujeito para realizar a tarefa tátil. Ao longo do tempo, a vibração também poderia causar instabilidade mecânica em componentes TAPS. Som poderia distrair o assunto. Por estas razões, temos tomado medidas para reduzir a vibração e som, e para evitar qualquer vibração atinja o assunto. Mais importante ainda, as tabelas inferiores e superiores não entre em contato um do outro. Eles estão ligados apenas no sentido de que tanto o contato do chão. Assim, a vibração do motor, que repousam sobre a parte inferior da tabela, não é transmitida para o braço do sujeito, que repousa sobre a mesa superior. Além disso, vibração e som são reduzidos da seguinte forma: uma cortina de fibra de vidro que envolve o menor mesa abafa o som do dispositivo; PVC / fiber reforçado almofadas anti-vibração imprensado entre o atuador ea sua base de absorver um pouco do atuador produzidos vibração, a base do atuador fica em quatro suportes de borracha sanduíche cilíndricos que servem para amortecer a vibração ainda mais, o disco motor de passo base também fica em suportes de borracha ( êmbolo da seringa de borracha) e O-rings de silicone circundam os eixos das peças de estímulo, reduzindo ruído como o disco gira. iv. Pedaços de estímulo TAPS usa modificada varas de meia polegada de diâmetro para pressionar superfícies espacialmente estruturada contra a pele (Fig. 3). As hastes são usinadas ter eixos quadrados. As faces redondas das hastes contêm superfícies estímulo; os eixos quadrados das hastes se encaixam os 40 entalhes quadrados em torno da circunferência do disco em rotação, garantindo que as superfícies de estímulo manter suas orientações adequadas como o disco girar. Qualquer estímulo pode ser superfícies usinadas para os rostos vara. Temos usado TAPS principalmente para aplicar grades de onda quadrada (ie, cristas e sulcos paralelos). Para criar esses, começamos com 0,5 "de diâmetro plástico Delrin hastes cilíndricas, 3" de comprimento. Utilizando uma fresadora Sherline, cortamos as hastes de 2,75 "de comprimento, com dois" long quadrados seção transversal-eixos (8,7 x 8,7 mm), e um 0,75 "de comprimento, 12,74 milímetros de cabeça redonda de diâmetro cilíndrica. Em seguida, moídos grooves no rosto redondo para criar as superfícies de estímulo. estímulo Cada superfície tem cume iguais e larguras de groove. Fizemos peças com larguras de ranhura de 0,25 a 3,10 milímetros em 0,15 incrementos mm. Fizemos duas peças idênticas de estímulo para cada uma dessas 20 larguras de ranhura , resultando em 40 peças total. Em seguida, as peças inseridas nos slots quadrados do disco de forma que cada largura do canal foi representada tanto na vertical (paralela ao longo eixo do dedo) e horizontal (transversal ao longo eixo do dedo ) orientação. Figura 3. Pedaço de estímulo. Cada superfície estímulo é moído para o rosto de um 0.5-inch vara de diâmetro Delrin. A base da haste é cortada a ter uma seção transversal quadrada, permitindo que se encaixam em recortes quadrados no disco giratório. A superfície da peça é mostrada uma grade de onda quadrada, com sulcos paralelos e cumes de largura igual. v. computador de controle TAPS é um totalmente automático, sistema controlado por computador. Hardware do computador muitos e configurações de software poderia ser usado para controlar o dispositivo. Atualmente usamos um G3 Macintosh executando o LabVIEW 6.1 (National Instruments). O computador se comunica através de uma placa controladora de motor com um motorista de motor de passo para comandar o atuador e motores de disco, e para ler os sensores de casa e interruptores de limite. A placa PCI de aquisição de dados lê o sensor de força e botões de resposta assunto. vi. Limitações força e sincronismo Faixa vigor: Temos usado TAPS para entregar estímulos com as forças variando de 10 a 50 gramas. Nós suspeitamos que o atrito nos componentes impeça a entrega de estímulos em forças sob cerca de 5 gramas, e que alguma instabilidade mecânica surgiria para as forças em excesso de cerca de 100 gramas. Inter-estímulo intervalo (ISI): A distância entre as superfícies de estímulo e do dedo, e as velocidades estáveis ​​do atuador linear e disco motor de passo, juntamente definir um limite inferior no ISI que o dispositivo pode alcançar. Estimamos esse limite em cerca de 1,5 segundos. Assim, o dispositivo não é adequado para aplicações tais como experiências de mascaramento, que exigem segunda sub-ISI. 3. A realização de uma experiência Aqui nós descrevemos um protocolo para o qual TAPS podem ser usados: um intervalo de dois escolha forçada-(2-IFC) tarefa de ralar orientação (GOT) Bayesiano com acompanhamento de adaptação. TAPS pode ser programado para muitos outros protocolos psicofísica também. Nós tê-lo usado anteriormente para realizar 2-IFC experimentos com 1,2 escadaria de monitoramento e com o método dos estímulos constantes. É claro, é capaz de conduzir sim / não procedimentos, bem como 2-IFC. Para o 2-IFC GOT tarefa, usamos grades de onda quadrada, que em contato com o pad distal do dedo com a 4 cm / seg de velocidade início, 50 gm força de contato, e uma duração do contato sec. Cada teste é composto de duas apresentações de estímulos seqüenciais (ISI: 2 seg) com grades de largura da ranhura idênticos, mas diferentes 90 graus, na orientação. Em uma apresentação, as ranhuras estão alinhadas verticalmente (paralela), e no outro, na horizontal (transversal), ao longo eixo do dedo. Ordem de estímulo é escolhido aleatoriamente pelo programa de computador. O assunto indica se a orientação horizontal ocorreu no intervalo de primeira ou segunda, pressionando um dos dois botões com a mão não-testados. Um método Bayesiano adaptativo ajusta glargura roove de julgamento para julgamento. Nós TAPS programado com uma versão modificada do método psi (Ψ), um algoritmo adaptativo Bayesian 3. Este método tem várias vantagens sobre os métodos convencionais de adaptação, tais como métodos escadaria. Primeiro, o método psi estimativas não apenas um ponto sobre a função psicométricas (por exemplo, o limite de 71% estimada por uma escadaria de dois-down 1-up), mas a função toda psicométricas. Segundo, o método produz Bayesian distribuições de probabilidade posterior (e intervalos de confiança assim) para os parâmetros da função psicométricas. Finalmente, o método é eficiente. Que detém na memória muitos milhares de possíveis formas função psicométricas, e atualiza a probabilidade posterior de cada função após cada resposta. Em seguida, usa um procedimento de minimização prevista entropia para escolher o estímulo próximo, ou seja, ele escolhe o estímulo em cada tentativa que se espera para maximizar o ganho de informação. Seguintes Kontsevich e Tyler 3, nós modelamos d-prime como uma função de potência de nível de estímulo, e função psicométricas de cada sujeito – P c (x), a probabilidade de uma resposta correta em função do nível de estímulo, x – como uma mistura de uma função cumulativa (probit) normal e um termo de taxa de lapso: Aqui, um é o limiar (nível de estímulo correspondente a probabilidade de resposta correta 76%, d-prime = 1), e b é a inclinação, da função psicométricas do sujeito. Nós modificamos o algoritmo Ψ tratando a taxa de lapso (delta) como um parâmetro de valor desconhecido, e por meio do cálculo de um "fator de Bayes adivinhar" após cada ensaio: Este fator de Bayes é uma razão de verossimilhança que compara a probabilidade de os dados sob a hipótese 1, que o assunto é adivinhação, à probabilidade de os dados sob hipótese 2, que o sujeito tem uma função psicométrica. O numerador é a probabilidade de os dados do sujeito, D (respostas corretas e incorretas em cada uma das larguras de ranhura apresentados), dado que o assunto é simplesmente adivinhar (50% de probabilidade correta) em todos os ensaios até e incluindo o julgamento atual. O denominador é a probabilidade de o dado melhor estimativa do algoritmo da função psicométricas do sujeito. Em nossa experiência, para a maioria dos indivíduos jovens o fator de Bayes rapidamente se aproxima de zero com a progressão de bloco de teste, indicando que o desempenho do sujeito está de acordo com uma função psicométrica. Para alguns indivíduos mais velhos, o fator de Bayes sobe acima de um, indicando que o sujeito é incapaz de executar a tarefa. TAPS pode ser programado para encerrar o bloco de teste se a adivinhar fator de Bayes tem excedido um valor limite após um determinado número de tentativas. 4. Resultados A Figura 4 mostra um bloco experimental composta por 40 testes a partir de um experimento 2-IFC GOT. Este bloco 40 julgamento consistiu de 80 estímulos de dedo direito do sujeito do meio, com um segundo tempo de contato e de 2 segundos ISI entre contatos em uma única tentativa. Limite de 76% do sujeito correta foi de 1,7 mm, conforme indicado pelo modo da função densidade de probabilidade posterior (PDF) para o parâmetro de limite (painel C). O intervalo de confiança de 95% para o parâmetro do sujeito limiar, indicado pela largura do PDF posterior, foi 1,3-1,9 mm. Figura 4. Resultados de um intervalo de 2-tarefa de orientação da escolha forçada ralar. A. Um bloco experimental, composta por 40 testes aplicados neste caso para o dedo médio direito. O assunto é correto (símbolos plus) e as respostas incorretas (círculos abertos) em larguras diferentes sulco são plotados contra o número julgamento. Um método Bayesiano adaptativo (ver texto) determinou a seqüência de larguras de ranhura de aplicar, com base no desempenho do sujeito. B. A função de melhor ajuste psicométricas para este assunto. C. função densidade de probabilidade posterior para a largura do sujeito sulco 76% correto ( função de um parâmetro psicométrico, correspondente a 1 = d-prime).