En metod för att utvärdera aktualitet och noggrannhet vilje Motor Responses to vibrotaktila stimuli
Summary
Den här artikeln beskriver en teknik för att applicera vibrotaktila stimuli till låret av en mänsklig deltagare, och mäta noggrannhet och reaktionstiden av deltagarens vilje respons för olika kombinationer av stimulerings plats och frekvens.
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
Artificiell sensorisk återkoppling (ASF) kan definieras som praxis att ge realtid biologisk information till enskilda, ofta kompensera för nedsatt proprioception eller annan sensorisk mekanism. ASF har länge använts i området för rehabilitering av skadade eller funktionshindrade personer för att hjälpa till att återhämta sig aspekter av fysisk funktion och rörelse 1-3, så att människor kan styra fysikaliska processer som en gång var en ofrivillig reaktion av det autonoma nervsystemet 4. En underkategori av ASF, biomekanisk biofeedback använder externa sensorer för att mäta parametrar för balans eller gång kinematik, och vidarebefordra denna information till den enskilde genom någon form av tillämpad stimulans. En allt populärare metod för biomekaniska återkoppling använder små vibrerande motorer, eller tactors, placerade på olika delar av kroppen för att ge rumslig liksom tids återkoppling. Tidigare litteratur har visat promising resultat stöder användningen av vibrotaktila återkoppling i ansökningar till personer med lägre extremiteterna amputationer, vestibulära nedsättningar, och åldersrelaterad förlust av balans 5-9.
En grundlig förståelse av de mekanismer som styr en persons uppfattning och svar på specifika stimuli är nödvändig för att informera ett effektivt genomförande av ASF system för olika applikationer. För vibrotaktila feedback, främst bland dessa mekanismer är proprioceptionen och sensomotorisk svar specifikt användaren känslighet för de tillämpade vibrationerna och den tid som krävs för att utföra den önskade reaktionen. Alla sensorisk information kommuniceras genom vibrations stimuli måste kodas som specifika kombinationer av vibrationsfrekvensen, amplituden, plats och sekvens. Därför bör utformningen av vibrotaktila ASF system välja kombinationer av parametrar för att maximera användarens uppfattning och tolkning av stimuli, somsamt aktualitet och noggrannhet av den resulterande motorisk respons. Målet med detta protokoll är att tillhandahålla en plattform för att utvärdera svarstider och svarsnoggrannhet till olika vibrations stimuli för utformningen av ASF system för användning med olika sensoriska nedsatt populationer.
De metoder som beskrivs här bygger på tidigare forskning undersöker människans perception av taktil och vibrotaktila återkoppling 3,5,6, och har utvecklats för att användas i två tidigare studier 10,11. De senare två studier användes detta protokoll för att undersöka effekterna av vibrationsfrekvens och plats på noggrannhet och aktualitet användarsvar i nedre extremiteter amputerade, som visar att båda parametrarna påverka resultatet åtgärder som väsentligt, och att en hög grad av svars noggrannhet kan vara uppnått. Dessa resultat kan användas för att informera den ideala placeringen av tactors i framtida studier och kliniska tillämpningar av vibrotaktila ASF system. Andra senaste arbetetEt al. Crea 12 granskade användare känsligheten för förändringar i vibrationsmönster appliceras på låret under promenader, med hjälp av verbala svar att beteckna upplevda förändringar i vibrationsmönster, snarare än en motorisk respons. Medan dessa verbala svar kan användas för att mäta detekteringsnoggrannhet, de inte står för fel och förseningar som kan vara närvarande i motorstyrprocessen.
Den primära setup för följande experiment består av ett antal vibrerande motorer som är anslutna till pulsbreddmodulerade utgångsstift av en mikrokontroller ombord. Styrelsen är i sin tur styrs via en Universal Serial Bus (USB) anslutning till en dator som kör kommersiellt tillgängligt system design mjukvara. Motorerna kräva ytterligare förstärkningskrets för att säkerställa tillräcklig spänning och ström matas över ett brett område av vibrationsfrekvenser. Ett exempel förstärkarkrets visas i figur 1. Den bipolär transistor (BJR) I figuren kan ersättas med mindre metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor (MOSFET) för mer effektiv drift och mindre storlek. På liknande sätt kan hela förstärkarkretsen ersättas av en off-the-shelf haptiska motor föraren att ge ytterligare kontroll och minskad storlek. Varje motor kräver sin egen krets, och med hjälp av utrustning som anges i detta dokument, upp till tio motorer kan styras av en enda mikro styrelse.
Figur 1. Motorkopplings. (A) Den förstärkningskrets för en enda vibrationsmotor är visad. Varje motor kräver en separat krets och måste vara ansluten till en unik PWM-utgången på mikrokontroller. V DD här representerar 3,3 V ström av mikrokortet och motståndet R2 fungerar som en pull-down resister att säkerställa transistoromkopplaren förblir öppen när noll spänning är ca.lied. (B) Ett exempel på det fysiska ledningar av två motorer. Även åtta individuella förstärkningskretsar visas, endast två är anslutna till vibrationsmotorer. I detta protokoll R1 = 4,7 kQ och R2 = 100 kQ. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med detta protokoll är att tillhandahålla en ram för att utvärdera stimuleringsparametrar vibrotaktila ASF applikationer. Specifikt undersöker det effekterna av vibrationsfrekvensen, amplituden, plats och sekvens på användar sensomotorisk svar. Denna ram kan byggas på och utvidgas till att införliva ytterligare eller alternativa typer av användare svar som kan vara mer kliniskt relevant, såsom böjning en gemensam eller tyngden från ena benet till en annan. Dessa typer av förändringar skulle kräva …
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).
