Vibrotactile Uyaranların için İstemli motor Yanıtları güncelliği ve doğruluğundan değerlendirilmesi için bir yöntem
Summary
Bu makalede, bir insan katılımcı uyluk vibrotactile uyarıcısının uygulanmasının ve stimülasyon konumu ve frekans çeşitli kombinasyonları için katılımcının istemli tepki hassasiyeti ve reaksiyon zaman ölçümü için bir yöntem açıklanır.
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
Yapay duyusal geribildirim (ASF) sık sık tehlikeye propriosepsiyon ya da diğer duyusal mekanizma telafi bireylere gerçek zamanlı biyolojik bilgi sağlama uygulama olarak tanımlanabilir. Bireylerin kez otonom sinir sistemi 4 istemsiz bir tepki vardı fiziksel süreçleri kontrol etmesini sağlayan, 3 – ASF uzun fiziksel fonksiyon ve hareket 1 yönlerini kurtarma yardımcı olmak için yaralı ya da engelli kişilerin rehabilitasyonu alanda kullanılmaktadır. ASF, biyomekanik biofeedback bir alt kategori, kinematik dengelemek ya da yürüyüş ile ilgili parametreleri ölçmek ve uygulamalı uyaran çeşit yoluyla bireye bu bilgileri iletişim kurmak için harici sensörler kullanır. biyomekanik geribildirim giderek daha popüler bir yaklaşım mekansal yanı sıra zamansal geribildirim sağlamak için vücudun farklı bölgelerinde yerleştirilen küçük titreşimli motorlar, ya da kontaktörü, istihdam etmektedir. Önceki edebiyat p gösterdialt ekstremite amputasyon, vestibüler engelli bireylere uygulamalarda vibrotactile geribildirim kullanımını destekleyen sonuçlar romising ve yaşlanma-ilgili denge 5 kaybını – 9.
Belirli uyaranlara bireyin algı ve tepki kontrol eden mekanizmaların tam olarak anlamak, farklı uygulamalar için ASF sistemlerinin etkin bir şekilde uygulanmasını bilgilendirmek için gereklidir. vibrotactile geribildirim için, bu mekanizmalar arasında baş propriosepsiyonu ve sensorimotor tepkisi, özellikle uygulanan titreşimlere kullanıcı duyarlılık ve istenen reaksiyonu yürütmek için gerekli olan zaman vardır. Titreşim uyaranlara yoluyla iletilen herhangi bir duyusal bilgi, belirli titreşim frekansı kombinasyonları, genlik, konumu ve dizi olarak kodlanmış olması gerekir. Bu nedenle, vibrotactile ASF sistemlerinin tasarımı olarak, uyaranların kullanıcının algı ve yorumlama maksimize etmek parametrelerin kombinasyonları seçmelisiniziyi zamanında ve ortaya çıkan motorun tepki doğruluğu. Bu protokolün amacı, farklı duyusal engelli nüfusa sahip kullanılmak üzere ASF sistemlerinin tasarımını bilgilendirmek için çeşitli titreşim uyaranlara yanıt süreleri ve tepki doğruluğunu değerlendirmek için bir platform sağlamaktır.
Yöntemleri burada açıklanan dokunsal ve vibrotactile geribildirim 3,5,6 insan algısını keşfetmeye önceki araştırmalar üzerine inşa ve iki önceki çalışmalarda 10,11 kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Son iki çalışma her iki parametre önemli ölçüde sonuç önlemleri etkilediği gösteren alt ekstremite amputasyon doğruluk ve kullanıcı tepkilerinin zamanında titreşim frekansı ve konumu etkilerini incelemek için bu protokolü istihdam ve tepki doğruluğu yüksek derecede olabilir elde etti. Bu sonuçlar, gelecekteki çalışmalar ve vibrotactile ASF sistemlerinin klinik uygulamalarda kontaktörü ideal yerleşim bilgilendirmek için kullanılabilir. Diğer son çalışmasıCrea ve ark., 12 algılanan titreşim desenleri değişiklikleri yerine motor tepkisini belirtmek için sözlü tepkiler kullanarak, yürüyüş sırasında uyluk uygulanan titreşim desenleri değişikliklere kullanıcı duyarlılığı incelendi. Bu sözlü tepkiler algılama doğruluğunu ölçmek için kullanılabilir olsa da, motor kontrol sürecinde mevcut olabilir hatalar ve gecikmeler hesaba katmaz.
Aşağıdaki deneyler için birincil kurulum darbe genişliği modüle bir mikro kurulu çıkış pini bağlanmış titreşimli motorların birçok parçadan oluşur. pansiyon, sırayla, ticari olarak mevcut sistem tasarım yazılımı çalıştıran bir bilgisayara Universal Serial Bus (USB) bağlantısı üzerinden kontrol edilir. Motorlar yeterli voltajı sağlamak için ek bir yükseltme devresi gerektirir ve mevcut vibrasyon geniş bir frekans aralığı üzerinde temin edilir. Bir örnek amplifikatör devresi Şekil 1'de gösterilmiştir. Iki kutuplu kavşak transistor (BJR) Şekil etkinliğinin arttırılması ile ve daha küçük boyutta daha küçük metal oksit yarı-iletken alan etkili transistor (MOSFET) ile ikame edilmiş olabilir. Aynı şekilde, tüm amplifikatör devresi ek kontrol ve indirgenmiş boyutu sağlamak için bir kullanıma hazır haptik motor sürücü ile ikame edilmiş olabilir. Her motor kendi devresini gerektirir ve on motorlar kadar bu yazıda belirtilen ekipmanı kullanarak tek bir mikroişlemci kurulu tarafından kontrol edilebilir.
Şekil 1. Motor Kablolama. (A) tek bir titreşim motoru için amplifikasyon devresi gösterilmiştir. Her motor ayrı bir devre gerektirir ve mikrodenetleyici üzerinde benzersiz bir PWM çıkış portuna bağlı olmalıdır. V DD burada mikrodenetleyici tarafından sağlanan 3,3 V gücünü temsil ve sıfır gerilim uygulaması R2 transistör anahtarı sağlamak için açılan resister olarak hizmet direnç açık kalırYalan. (B) iki motorun fiziksel kablolama bir örnek. sekiz ayrı yükseltme devresi gösterilmiştir, ancak sadece iki titreşim işletme motorlarına bağlanmıştır. Bu protokol, R1 = 4.7 kÊ ve R2 = 100 kÊ içinde. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolün amacı, vibrotactile ASF uygulamalarında stimülasyon parametreleri değerlendirmek için bir çerçeve sağlamaktır. Özellikle, kullanıcı sensorimotor cevabına titreşim frekansı, genliği, yer ve dizinin etkilerini inceler. Bu çerçeve üzerine inşa ve daha klinik açıdan böyle bir ortak bükme veya başka bir bacak ağırlık kayması olarak olabilir kullanıcı tepkisinin ilave veya alternatif türleri içerecek şekilde genişletilebilir. Bu tür değişiklikleri gibi eylemsiz ölçü biri…
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).
