촉각 자극에 의지 모터 응답의 적시성과 정확성을 평가하는 방법
Summary
이 문서는 인간 참가자의 허벅지 촉각 자극을인가하고, 자극 위치 및 주파수의 다양한 조합에 대한 참가자의 의지 응답의 정확성과 반응 시간을 측정하는 방법을 설명한다.
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
인공 감각 피드백 (ASF)은 종종 손상된 감수 또는 다른 감각기구 보상 개인 실시간 생물학적 정보를 제공하는 사례로 정의 될 수있다. 개인 번 자율 신경계 (4)의 비자발적 반응이었다 물리적 프로세스를 제어 할 수 있도록, 3 – ASF 긴 신체 기능과 움직임 하나의 양태의 회수에 도움이 부상이나 장애인 재활의 영역에 이용되고있다. ASF, 생체 역학 바이오 피드백의 하위 범주는 운동의 균형 또는 보행에 관한 매개 변수를 측정하고,인가 된 자극의 일종을 통해 개인이 정보를 전달하는 외부 센서를 사용합니다. 생체 역학적 피드백에 점점 인기있는 방법은 공간과 시간적인 피드백을 제공하기 위해 신체의 다른 부분에 배치 작은 진동 모터, 또는 tactors를 사용한다. 이전 문헌 페이지를 보여왔다낮은 사지 절단, 전정 장애를 가진 개인에게 응용 프로그램에서 진동 촉각 피드백의 사용을 지원하는 결과를 romising 및 노화 관련 균형 (5)의 손실 – 9.
특정 자극에 개인의 인식과 반응을 제어하는 메커니즘에 대한 철저한 이해는 다른 응용 프로그램에 대한 ASF 시스템의 효과적인 이행을 알리는 필요합니다. 촉각 피드백, 이러한 메커니즘 중 최고는 감수하고 감각 반응 특별히 적용된 진동 사용자 감도 및 원하는 반응을 수행하는 데 필요한 시간이다. 진동 자극을 통해 연통 상관 감각 정보는 특정의 진동 주파수의 조합, 크기, 위치, 시퀀스로서 부호화되어야한다. 따라서, 촉각 ASF 시스템의 설계와 같이 자극의 사용자의 인식 및 해석을 최대화하는 파라미터들의 조합을 선택해야잘 적시성 그 결과 모터 응답의 정확도. 이 프로토콜의 목적은 다른 감각 장애 집단과 함께 사용 ASF 시스템의 설계에 알려 다양한 진동 자극에 대한 반응 시간 및 반응 정도를 평가에서 플랫폼을 제공하는 것이다.
방법은 여기에 설명 촉각 및 진동 촉각 피드백 -3,5,6-의 인간의 지각을 탐구하기 전에 연구를 기반으로, 2 개의 이전 연구 10, 11에 사용하기 위해 개발되었다. 후자의 두 연구는 두 변수가 상당히 결과 측정에 영향을 미치는 것으로 보여 낮은 사지 절단 수술의 정확도 및 사용자 응답의 적시성의 진동 주파수와 위치의 영향을 조사하기 위해,이 프로토콜을 이용하고, 반응 고정밀도가 될 수 있다는 달성했다. 이러한 결과는 향후 연구 및 촉각 ASF 시스템의 임상 적용에 tactors의 이상적인 위치를 알리기 위해 사용될 수있다. 에 의하여 다른 최근 연구크레아 외. (12)은 감지되는 진동 패턴의 변화가 아닌 모터 응답을 의미하는 언어 적 반응을 이용하여, 보행시 허벅지인가 진동 패턴의 변화에 대한 사용자의 민감도를 조사 하였다. 이러한 언어 응답이 검출 정확도를 측정 할 수 있지만, 그것들은 모터 제어 처리에 존재할 수있는 오류 및 지연을 고려하지 않는다.
이하의 실험에 대한 기본 설정은 펄스 폭 변조하는 마이크로 컨트롤러 보드의 출력 핀을 접속 진동 모터의 개수로 구성된다. 기판은 다시 시판 시스템 디자인 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터의 범용 직렬 버스 (USB) 접속을 통해 제어된다. 모터는 충분한 전압을 보장하기 위해 추가로 증폭 회로를 필요로하며 현재의 진동 주파수의 넓은 범위에 걸쳐 공급된다. 예 증폭 회로는도 1에 도시되어있다. 바이폴라 접합 트랜지스터 (BJR) 도면에보다 효율적인 동작 및 작은 크기의 작은 금속 – 산화물 – 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)로 대체 될 수있다. 마찬가지로, 전체 증폭 회로는 추가적인 제어 및 감소 된 크기를 제공하는 상용 햅틱 모터 드라이버에 의해 대체 될 수있다. 각 모터는 자체의 회로를 필요로하고, 모터의 최대 열이 논문에 기재된 장치를 사용하여 단일 마이크로 컨트롤러 보드에 의해 제어 될 수있다.
도 1 모터 배선. (A) 하나의 진동 모터를위한 증폭 회로가 도시되어있다. 각 모터는 별도의 회로를 필요로하며, 마이크로 컨트롤러 고유 PWM 출력 포트에 연결되어야한다. 은 V DD 여기서 마이크로 컨트롤러 보드에 의해 공급 된 3.3 V의 전원을 나타내고, 제로 전압 앱 인 경우 R2가 트랜지스터 스위치를 보장하기 위해 풀다운 저항 역할을하는 저항 열려거짓말. (B) 2 개의 모터의 물리적 인 배선의 일례. 여덟 개별 증폭 회로가 도시되었지만, 두 진동 모터에 접속되어있다. 이 프로토콜 R1 = 4.7 kΩ의 및 R2 = 100 kΩ의에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜의 목적은 진동 촉각 ASF 애플리케이션에서 자극 파라미터를 평가하기위한 프레임 워크를 제공하는 것이다. 구체적으로는, 사용자 응답에 대한 감각의 진동 주파수, 진폭, 위치 및 서열의 영향을 검사한다. 이 프레임 워크에 내장보다 임상 적으로, 이러한 접합 벤딩 또는 다른 한쪽 다리 중량 시프트 같을 수도 사용자 응답의 추가적인 또는 대안적인 형태를 포함하도록 확장 될 수있다….
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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