Een methode voor het evalueren van tijdigheid en nauwkeurigheid van Volitional Motor Responses to vibrotactiele Stimuli
Summary
Dit artikel beschrijft een techniek voor het aanbrengen vibrotactiele stimuli op de dij van een menselijke deelnemer en het meten van de nauwkeurigheid en reactietijd van volitionele respons van de deelnemer voor verschillende combinaties van stimulatie locatie en frequentie.
Abstract
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.
Introduction
Kunstmatige zintuiglijke feedback (ASF) kan worden gedefinieerd als het gebruik van real-time biologische informatie aan individuen, vaak compenseren gecompromitteerd proprioceptie of andere zintuiglijke mechanisme. ASF is al lang gebruikt op het gebied van revalidatie van gewonde of personen met een handicap te helpen bij het herstellen van de aspecten van de fysieke functie en beweging 1-3, waardoor individuen om fysische processen die ooit een onwillekeurige reactie van het autonome zenuwstelsel 4 waren onder controle. Een subcategorie van ASF, biomechanische biofeedback, maakt gebruik van externe sensoren om parameters met betrekking tot evenwicht of gait kinematica meten en communiceren van deze informatie aan het individu door middel van een soort van toegepaste stimulus. Een steeds populairder benadering biomechanische feedback telt kleine trilmotoren of magneetschakelaar, geplaatst op verschillende lichaamsdelen ruimtelijke en temporele feedback. Vorige literatuur p toondenromising resultaten die het gebruik van vibrotactiele feedback in toepassingen aan personen met een lagere ledematen amputaties, vestibulaire stoornissen, en veroudering gerelateerde verlies van evenwicht 5-9.
Een goed begrip van de mechanismen die individuele perceptie en de reactie op specifieke stimuli noodzakelijk voor het informeren effectieve implementatie van ASF voor verschillende toepassingen. Voor vibrotactiele feedback, leider onder deze mechanismen proprioceptie en de sensorimotorische respons, specifiek de gebruiker gevoeligheid voor de toegepaste trillingen en de tijd die nodig is om de gewenste reactie uit te voeren. Elke sensorische informatie verstrekt via trillingen stimuli worden gecodeerd als specifieke combinaties van vibratie frequentie, amplitude, locatie en sequentie. Daarom moet het ontwerp van vibrotactiele ASF systemen combinaties van parameters te selecteren om de perceptie gebruiker en interpretatie van de stimuli te maximaliseren, zoalsen de tijdigheid en nauwkeurigheid van de resulterende motorische respons. Het doel van dit protocol is een platform om reactietijden en nauwkeurigheid reactie op verschillende stimuli vibrationele evalueren om het ontwerp van systemen ASF hoogte voor gebruik met verschillende sensorische verminderde bevolkingen.
De hier beschreven methoden gebaseerd op eerder onderzoek verkennen menselijke waarneming van tactiele feedback en vibrotactiele 3,5,6, en is ontwikkeld voor gebruik in twee eerdere studies 10,11. De laatste twee studies gebruikt dit protocol om de effecten van trillingsfrequentie en op de nauwkeurigheid en actualiteit van gebruikerreacties in de onderste ledematen amputatie onderzoeken blijkt dat beide parameters significante invloed op de uitkomst maatregelen, en dat een hoge mate van nauwkeurigheid te kunnen reageren bereikt. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om de ideale plaatsing van magneetschakelaar informeren toekomstige studies en klinische toepassingen van vibrotactiele ASF systemen. Ander recent werk vanCrea et al. 12 onderzocht gebruiker gevoeligheid voor veranderingen in vibratie patronen aangebracht op de dij gedurende het lopen, via verbale reacties op waargenomen veranderingen in de vibratie patronen in plaats van een motorische respons betekenen. Hoewel deze verbale reacties kunnen worden gebruikt om detectie nauwkeurigheid meten ze geen rekening met vertragingen en fouten die in de motorbesturing proces kan zijn.
De primaire opstelling voor de volgende experimenten uit een aantal trilmotoren verbonden puls-breedte gemoduleerde output pinnen van een microcontroller board. Het bestuur is op zijn beurt gecontroleerd door middel van een Universal Serial Bus (USB) aansluiting op een computer met in de handel verkrijgbare systeemontwerp software. De motoren vereisen een extra versterkingschakeling om voldoende spanning te waarborgen en stroom wordt toegevoerd over een groot bereik van trillingsfrequenties. Een voorbeeld versterkerschakeling figuur 1. De bipolaire transistor (BJR) In de figuur kan worden vervangen door kleinere metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) voor een efficiëntere werking en een kleiner formaat. Evenzo kan de gehele versterkerschakeling worden vervangen door een off-the-shelf haptische aandrijver extra en lagere grootte. Elke motor vereist een eigen circuit en met de in dit artikel vermelde apparatuur, tot tien motoren kunnen worden bediend met één microcontrollerbordje.
Figuur 1. motorbedrading. (A) Het versterkingscircuit voor een vibratiemotor weergegeven. Elke motor is een apart circuit en moet worden aangesloten op een unieke PWM-uitgang van de microcontroller. De V DD hier staat voor de 3.3 V macht door de microcontroller raad van bestuur, en voor de weerstand R2 dient als een pull-down resister aan de transistor switch te garanderen blijft open wanneer nul spanning appgelogen. (B) Een voorbeeld van de fysieke bedrading van twee motoren. Hoewel acht afzonderlijke amplificatie circuits getoond, slechts twee zijn verbonden trilmotoren. In dit protocol R1 = 4,7 kOhm en R2 = 100 kOhm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit protocol is het kader voor het evalueren stimulatieparameters in vibrotactiele ASF toepassingen. In het bijzonder, onderzoekt de effecten van trillingen frequentie, amplitude, de locatie en volgorde op de gebruiker sensomotorische reactie. Dit kader kan worden uitgebouwd en uitgebreid met extra of alternatieve soorten gebruikersrespons die meer klinisch relevant, zoals een gemeenschappelijke buigen of gewichtsverplaatsing van het ene been naar het andere kan zijn opgenomen. Dit soort wijzigingen zou iet…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This protocol was developed for research supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).
Materials
| Vibrating Pager Motors | Precision Microdrives | Model 310-101 | Coin eccentric rotating mass motors. As many as necessary to test all locations and interactions of interest |
| Tri-axis Accelerometer | Dimension Engineering | ADXL 335 | Advanced analog accelerometer. 500Hz bandwidth, 3.5-15V input. Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing |
| Arduino Uno | Arduino | DEV-11021 | Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer |
| Arduion Mega 2560 | Arduino | DEV-11061 | Microcontroller board for interfacing with the vibration motors. |
| LabVIEW | National Instruments | Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals | |
| Arduino IDE Software | Arduino | v. 1.6.5 | |
| Push-Button | Bridges | Buddy Button | Wired switch featuring a 2.5in/6.35cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback. |
| Optional: | |||
| Dedicated haptic motor driver | Texas Instruments | DRV2605L | Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1. |
| Flexible wearable goniometer | Biometrics Ltd. | SG110 | Twin axis flexible goniometers to measure angles in up to two planes of movement that can be used in lieu of the push button to measure joint movement in response to stimuli. www.biometricsltd.com/gonio.htm |
References
- Tate, J. J., Milner, C. E. Real-time kinematic, temporospatial, and kinetic biofeedback during gait retraining in patients: a systematic review. Phys. Ther. 90 (8), 1123-1134 (2010).
- Onate, J. A., Guskiewicz, K. M., Sullivan, R. J. Augmented feedback reduces jump landing forces. J. Orthop. Sports Phys. Ther. 31 (9), 511-517 (2001).
- Cholewiak, R. W. The perception of tactile distance: Influences of body site, space, and time. Perception. 28 (7), 851-875 (1999).
- Zhang, Z., Wu, H., Wang, W., Wang, B. A smartphone based respiratory biofeedback system. Proc. 2010 3rd Int. Conf. Biomed. Eng. Informatics. 2, 717-720 (2010).
- Wentink, E. C., Mulder, A., Rietman, J. S., Veltink, P. H. Vibrotactile stimulation of the upper leg: Effects of location, stimulation method and habituation. Proc. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 1668-1671 (2011).
- Rusaw, D., Hagberg, K., Nolan, L., Ramstrand, N. Can vibratory feedback be used to improve postural stability in persons with transtibial limb loss?. J. Rehabil. Res. Dev. 49 (8), 1239-1254 (2012).
- Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 17 (4), 397-408 (2009).
- Asseman, F., Bronstein, A. M., Gresty, M. A. Using vibrotactile feedback of instability to trigger a forward compensatory stepping response. J. Neurol. 254 (11), 1555-1561 (2007).
- Fan, R. E., Culjat, M. O., et al. A haptic feedback system for lower-limb prostheses. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 16 (3), 270-277 (2008).
- Sharma, A., Torres-moreno, R., Zabjek, K., Andrysek, J. Toward an artificial sensory feedback system for prosthetic mobility rehabilitation: Examination of sensorimotor responses. J. Rehabil. Res. Dev. 51 (6), 416-425 (2014).
- Sharma, A., Leineweber, M. J., Andrysek, J. The effects of cognitive load and prosthetic liner on volitional response times to vibrotactile feedback. J. Rehabil. Res. Dev. , (2016).
- Crea, S., Cipriani, C., Donati, M., Carrozza, M. C., Vitiello, N. Providing Time-Discrete Gait Information by Wearable Feedback Apparatus for Lower-Limb Amputees: Usability and Functional Validation. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 23 (2), 250-257 (2015).
- Bolanowski, S. J., Gescheider, G. A., Verrillo, R. T., Checkosky, C. M. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. J. Acoust. Soc. Am. 84 (5), 1680-1694 (1988).
- Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B. Biofeedback in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 10 (1), 60 (2013).
- Shull, P. B., Jirattigalachote, W., Hunt, M. A., Cutkosky, M. R., Delp, S. L. Quantified self and human movement: A review on the clinical impact of wearable sensing and feedback for gait analysis and intervention. Gait Posture. 40 (1), 11-19 (2014).
- Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. J. Neurophysiol. 107 (1), 12-28 (2012).
