Um método para avaliar pontualidade e precisão das respostas Volitional motor para vibrotátil Estímulos
Summary
Este artigo descreve uma técnica para a aplicação de estímulos por vibração para a coxa de um participante humano, e medindo a precisão e tempo de reacção de resposta da vontade do participante para várias combinações de localização e frequência de estimulação.
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
feedback sensorial artificial (ASF) pode ser definida como a prática de fornecer em tempo real informação biológica para indivíduos, com frequência compensando propriocepção comprometida ou outro mecanismo sensorial. ASF tem sido muito utilizado no campo da reabilitação de feridos ou deficientes para ajudar na recuperação de aspectos da função física e movimento 1-3, permitindo que os indivíduos para controlar processos físicos que antes eram uma resposta involuntária do sistema nervoso autônomo 4. Uma subcategoria de ASF, biofeedback biomecânico, usa sensores externos para medir parâmetros relativos ao equilíbrio ou cinemática da marcha, e comunicar essa informação ao indivíduo através de algum tipo de estímulo aplicado. Uma abordagem cada vez mais popular ao feedback biomecânico emprega pequenos motores de vibração, ou tactors, colocados em diferentes partes do corpo para fornecer espacial, bem como o feedback temporal. literatura prévia mostrou promising resultados suportam o uso de feedback vibrotátil em aplicações para indivíduos com amputações de membros inferiores, deficiências vestibulares e relacionadas com o envelhecimento perda de equilíbrio 5-9.
Um profundo conhecimento dos mecanismos que controlam a percepção e resposta de um indivíduo a estímulos específicos é necessário para informar a implementação eficaz dos sistemas de ASF para diferentes aplicações. Para o feedback vibrotátil, chefe entre estes mecanismos são propriocepção e a resposta sensório-motor, especificamente a sensibilidade do usuário para as vibrações aplicadas eo tempo necessário para executar a reação desejada. Qualquer informação sensorial comunicada através de estímulos de vibração deve ser codificado como combinações específicas de frequência de vibração, amplitude, localização e sequência. Portanto, design de sistemas de ASF por vibração deve selecionar combinações de parâmetros para maximizar a percepção do usuário e interpretação dos estímulos, comobem como a pontualidade e precisão da resposta motora resultante. O objetivo deste protocolo é proporcionar uma plataforma a partir da qual para avaliar os tempos de resposta e precisão resposta a vários estímulos vibratórios para informar o desenho de sistemas de ASF para uso com diferentes populações sensório-prejudicada.
Os métodos descritos aqui baseia-se em pesquisas anteriores explorar a percepção humana do tátil e vibrotátil gabarito 3,5,6, e foi desenvolvido para uso em dois estudos anteriores 10,11. Os dois últimos estudos utilizaram este protocolo para examinar os efeitos da frequência de vibração e localização na acurácia e tempestividade das respostas do usuário em amputados de membros inferiores, mostrando que ambos os parâmetros afetar significativamente as medidas de resultados, e que um alto grau de precisão de resposta pode ser conseguida. Estes resultados podem ser usados para informar o posicionamento ideal de tactors em estudos futuros e aplicações clínicas de sistemas vibrotátil ASF. Outro trabalho recente deCrea et al. 12 examinaram a sensibilidade do usuário para mudanças nos padrões de vibração aplicada à coxa durante a caminhada, usando respostas verbais para significar mudanças percebidas para os padrões de vibração, em vez de uma resposta motora. Embora estas respostas verbais podem ser usadas para medir a precisão da detecção, eles não têm em conta os erros e atrasos que podem estar presentes no processo de controlo do motor.
A configuração do primário para as experiências seguintes é constituído por um número de motores de vibração ligados ao pulso modulada com largura pinos de saída de uma placa de microcontrolador. A placa é, por sua vez, controlada através de uma conexão Universal Serial Bus (USB) a um computador com software de design de sistema disponível comercialmente. Os motores requerem um circuito amplificador adicional para assegurar a tensão suficiente e a corrente é fornecida através de uma vasta gama de frequências de vibração. Um circuito de amplificador de exemplo é mostrado na Figura 1. O transistor bipolar de junção (BJR) Na figura pode ser substituída com menor de metal-óxido-semicondutor transistor de efeito de campo (MOSFET) para uma operação mais eficiente e tamanho menor. Da mesma forma, o circuito amplificador inteira pode ser substituída por um condutor do motor háptica off-the-shelf para fornecer controlo suplementar e tamanho reduzido. Cada motor requer o seu próprio circuito, e utilizando os equipamentos enumerados no presente documento, até dez motores podem ser controlados por um único placa do microcontrolador.
Figura 1. O motor de fiação. (A) O circuito de amplificação por um único motor de vibração é mostrado. Cada motor requer um circuito separado e deve ser ligada a uma porta de saída de PWM único no microcontrolador. O V DD aqui representa o poder de 3,3 V fornecida pela placa do microcontrolador, eo resistor R2 serve como um resistente pull-down para garantir o interruptor transistor permanece aberta quando a tensão zero é appmenti. (B) Um exemplo da cablagem física de dois motores. Embora oito circuitos de amplificação individuais são mostradas, apenas dois estão ligados a motores de vibração. Neste protocolo R1 = 4,7 kW e R2 = 100 kW. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
O objectivo deste protocolo é fornecer a estrutura para avaliar parâmetros de estimulação em aplicações ASF por vibração. Especificamente, ele examina os efeitos da frequência de vibração, amplitude, localização e sequência, em resposta ao usuário sensório-motor. Esta estrutura pode ser construída e expandida para incorporar tipos adicionais ou alternativas de resposta do usuário que pode ser mais clinicamente relevante, como dobrar uma articulação ou deslocando o peso de uma perna para outra. Estes …
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 |
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