Une méthode d'évaluation de rapidité et la précision des réponses Volitional moteur à vibrotactile Stimuli
Summary
Cet article décrit une technique pour appliquer des stimuli vibrotactile à la cuisse d'un participant humain, et on mesure la précision et le temps de réaction de la réponse volontaire du participant pour diverses combinaisons de lieu de stimulation et de la fréquence.
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
rétroaction sensorielle artificielle (ASF) peut être définie comme la pratique de fournir en temps réel des informations biologiques à des individus, souvent compenser proprioception compromis ou un autre mécanisme sensoriel. ASF a été longtemps utilisé dans le domaine de la réadaptation des personnes blessées ou handicapées pour aider à la récupération des aspects de la fonction physique et de mouvement : 1 – 3, ce qui permet aux individus de contrôler les processus physiques qui étaient autrefois une réaction involontaire du système nerveux autonome 4. Une sous-catégorie de ASF, biofeedback biomécanique, utilise des capteurs externes pour mesurer les paramètres relatifs à l'équilibre ou la marche cinématique, et de communiquer ces informations à l'individu par une sorte de stimulus appliqué. Une approche de plus en plus populaire pour la rétroaction biomécanique emploie de petits moteurs vibrants, ou contacteurs, placés à différentes parties du corps pour fournir l'espace ainsi que la rétroaction temporelle. la littérature antérieure a montré promising résultats favorisant l'utilisation des évaluations vibrotactile dans des applications à des personnes ayant subi une amputation des membres inférieurs, troubles vestibulaires, et le vieillissement-connexe perte d'équilibre 5-9.
Une compréhension approfondie des mécanismes de contrôle de la perception et de la réponse d'un individu à des stimuli spécifiques est nécessaire pour informer la mise en œuvre efficace des systèmes d'ASF pour différentes applications. Pour la rétroaction vibrotactile, chef parmi ces mécanismes sont proprioception et la réponse sensorimotrice, en particulier l'utilisateur sensibilité aux vibrations appliquées et le temps requis pour exécuter la réaction souhaitée. Toute information sensorielle communiquée par des stimuli de vibration doit être codé comme des combinaisons spécifiques de fréquence de vibration, l'amplitude, l'emplacement et la séquence. Par conséquent, la conception de systèmes d'ASF vibrotactiles devrait choisir des combinaisons de paramètres afin de maximiser la perception et l'interprétation de l'utilisateur des stimuli, commeainsi que la rapidité et la précision de la réponse du moteur résultant. L'objectif de ce protocole est de fournir une plate-forme à partir de laquelle pour évaluer les temps de réponse et la précision de la réponse à divers stimuli vibratoires pour éclairer la conception des systèmes d'ASF pour une utilisation avec différentes populations sensorielles avec facultés affaiblies.
Les méthodes décrites ici construit sur la recherche avant d' explorer la perception humaine du tactile et vibrotactile rétroaction 3,5,6, et a été développé pour une utilisation dans deux études antérieures 10,11. Les deux dernières études utilisées ce protocole pour examiner les effets de la fréquence de vibration et l'emplacement sur la précision et la rapidité des réponses des utilisateurs dans amputés des membres inférieurs, montrant que les deux paramètres affectent de manière significative les mesures de résultats, et qu'un haut degré de précision de réponse peuvent être atteint. Ces résultats peuvent être utilisés pour informer le placement idéal des contacteurs dans les études futures et les applications cliniques des systèmes vibrotactile ASF. D'autres travaux récents parCréa et al. 12 a examiné la sensibilité des utilisateurs aux changements dans les modes de vibrations appliquées à la cuisse lors de la marche, en utilisant des réponses verbales pour signifier les changements perçus aux modes de vibration, plutôt que d' une réponse motrice. Bien que ces réponses verbales peuvent être utilisées pour mesurer la précision de détection, ils ne tiennent pas compte des erreurs et des retards qui peuvent être présents dans le processus de commande du moteur.
La configuration principale pour les expériences suivantes se compose d'un certain nombre de moteurs vibrants reliés à largeur d'impulsion modulée broches de sortie d'une carte de microcontrôleur. Le conseil d'administration est, à son tour, contrôlé par une connexion Universal Serial Bus (USB) à un ordinateur exécutant le logiciel disponible dans le commerce de la conception du système. Les moteurs ont besoin d'un circuit d'amplification supplémentaire pour assurer une tension suffisante, et le courant est fourni sur une large gamme de fréquences de vibration. Un circuit amplificateur est par exemple représenté sur la figure 1. Le transistor à jonction bipolaire (RJL) Dans la figure peut être remplacé par le transistor à effet de champ métal-oxyde inférieur-semiconducteur (MOSFET) pour un fonctionnement plus efficace et plus petite taille. De même, le circuit d'amplification entier peut être remplacé par un pilote de moteur haptique off-the-shelf pour fournir un contrôle supplémentaire et la taille réduite. Chaque moteur nécessite son propre circuit, et en utilisant l'équipement énuméré dans ce document, jusqu'à dix moteurs peut être contrôlé par une seule carte de microcontrôleur.
Figure 1. Le câblage du moteur. (A) Le circuit d'amplification pour un moteur de vibration unique est représenté. Chaque moteur exige un circuit séparé et il doit être connecté à un port de sortie PWM unique sur le microcontrôleur. Le V DD ici représente la puissance de 3,3 V fourni par le conseil de microcontrôleur, et la résistance R2 sert de resister pull-down pour assurer le commutateur à transistor reste ouvert lorsque la tension zéro est appmenti. (B) Un exemple de câblage physique des deux moteurs. Bien que huit circuits d'amplification individuels sont présentés, seuls deux sont reliés à des moteurs de vibration. Dans ce protocole R1 = 4,7 kQ et R2 = 100 kQ. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le but de ce protocole est de fournir le cadre pour l'évaluation des paramètres de stimulation dans les applications ASF vibrotactiles. Plus précisément, il examine les effets de la fréquence de vibration, de l'amplitude, l'emplacement et la séquence sur la réponse utilisateur sensorimotrice. Ce cadre peut être construit sur et élargi pour inclure les types de réponse de l'utilisateur qui peut être plus cliniquement pertinentes, telles que le pliage d'une articulation ou en transférant le…
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).
